projecto e avaliação operacional de uma estrutura

Projecto e Avaliação Operacional de uma Estrutura

José Duarte Ribeiro Afonso(Licenciado)

Dissertação para obtenção do grau:

Mestre em Engenharia Aeroespacial

JúriPresidente: Prof. Doutor Fernando José Parracho LauOrientador: Prof. Doutor Luís Alberto Gonçalves de SousaCo-orientador: Prof. Doutor José Raul Carreira AzinheiraVogais: Prof.a Doutora Virgínia Isabel Monteiro Nabais Infante

Prof. Doutor Agostinho Rui Alves da Fonseca

Novembro de 2010

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Abstract

This thesis addresses the design, implementation and validation of an instrumentation system

to be mounted on a prototype vehicle built and ran by a student team at Instituto Superior

Técnico in Lisbon. The system would provide useful information regarding design techniques

validation as well as overall performance for driver and vehicle monitoring and assessment. This

type of systems are already available on the market, but the author has noticed a market flaw

of versatile, low cost instrumentation systems for academic and prototype usage. Hence, comes

the justification for the design and implementation of such system within this work.

The proposed system is made of two different modules. Firstly, a strain recorder comprising

a data acquisition board NI USB-9237 manufactured by National Instruments which is used

to acquire strain measurements, amplify the signal and send it over a Serial/USB interface

to a personal computer (PC). This solution has many advantages regarding electromagnetic

noise (EMI) insulation as well as several dynamic specifications when compared to many of the

homemade or “Do It Yourself” (DIY) products available. On the other end, the system includes

another module, which comprises a very versatile and low cost micro-controller, Arduino. This

module was designed and built together with a Secure Digital (SD) card for data storage, an

analog-digital converter (ADC) and a handful of sensors such as accelerometers, encoder and

potentiometers .

The system was implemented and tested on the HidrogenIST prototype at IST. The data acquisition

system allowed a sampling rate of about 750Hz at a data transfer rate of 20KB/s of information

to the SD card. Albeit low cost and easily accessible based components, the accelerometers

registered a maximum error of 0.1G which corresponds to about 2% full scale error, confirming

both accuracy and sensitivity criteria. However, strain gauge performance revealed a difference

of 3% on calibration and laboratory tests and a difference of 20% on a real component taking as

reference a Finite Element Method (FEM) study.

Keywords: Arduino , Strain Gauge , Accelerometer , Instrumentation System , Data Acquisition

iii

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Resumo

Opresente trabalho tem como objectivo a concepção, implementação e validação de um

sistema de instrumentação com vista a aplicação em veículos. A ideia para tal surgiu da

necessidade de implementar um sistema de instrumentação a bordo de um protótipo existente

no IST. Na altura o autor constatou haver uma falha de mercado onde detectou a inexistência

de um sistema completo, suficientemente versátil e ao mesmo tempo de custo reduzido para

aplicações académicas ou de prototipagem.

O sistema proposto possuí dois módulos sendo que o primeiro módulo proposto é baseado

numa placa de aquisição de dados fabricada pela National Instruments. Neste é feita a aquisição

de dados a partir dos extensómetros, condicionamento de sinal e envio dos mesmos para um

computador portátil (PC) através de uma porta USB. Trata-se de uma solução comercial com

vista a minimizar os erros de medição assim como garantir as máximas capacidades do sistema

global. O segundo módulo é baseado num micro-controlador Arduino cujo muito baixo custo de

aquisição o torna numa ferramenta muito versátil. Com recurso ao micro-controlador foi criado

um módulo de aquisição e armazenamento de dados com capacidade para ler diversos tipos de

sensores, armazenando os dados provenientes dos mesmos num cartão Secure Digital (SD).

Este tipo de equipamento permite conduzir ensaios sem preocupação com volume de dados

gerado, mantendo a versatilidade na fase de manuseamento dos dados visto que a interface do

cartão SD é compatível com a maioria dos PC.

Este sistema foi implementado com sucesso no protótipo HidrogenIST com recolha de dados

a bordo. Neste trabalho conseguiram-se obter leituras de acelerómetros e gravação dos dados

com frequências de amostragem da ordem dos 750Hz e taxas de transferências de dados da

ordem dos 20KB/s. Contudo, na extensometria, verificaram-se diferenças de 3% para um ensaio

laboratorial e de 20% para um componente estudado, causados por incertezas na caracterização

do material, entre outros.

Keywords: Arduino , Extensómetros , Acelerómetros , Sistema de Instrumentação , Registo

de dados

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Agradecimentos

Tenho muito que agradecer a várias pessoas pela ajuda e disponibilidade ao longo do

tempo em que elaborei esta dissertação.

Assim, começo por agradecer aos meus orientadores, Prof. Doutor Luís Alberto Gonçalves

de Sousa e Prof. Doutor José Raul Carreira Azinheira por toda a ajuda, aconselhamento

e motivação prestados durante o desenvolver do meu trabalho. Sem eles, certamente este

trabalho não teria chegado onde chegou nem com o êxito com que o fez.

Um agradecimento muito especial é devido ao Prof. Doutor Agostinho Rui Alves da Fonseca

por todas as ajudas, sejam estas pessoal, material ou literária, que permitiram a realização de

inúmeros dos ensaios e acima de tudo pela incansável disponibilidade, frontalidade e incentivo

sem a qual esta tese se teria tornado seguramente muito mais difícil.

Gostaria ainda de agradecer igualmente aos meus amigos António Henriques, Anabela Reis,

Carlos Henriques, Dário Silva, Edmundo Ferreira, José Rodrigues, Noel Leitão, Nuno Silva,

Pedro Casau, Rui Santos e Tiago Fernandes por todo o seu apoio, amizade e tempo perdido nas

inúmeras discussões que muito ajudaram a compreender alguns conceitos e/ou vê-las com outra

perspectiva. Agradeço também todo o trabalho investido na construção do protótipo HidrogenIST

no qual foram efectuados os ensaios de campo.

Não posso deixar de agradecer também aos meus pais e restante família por tudo ao longo de

todos estes anos, em especial ao meu avô pelo seu incondicional apoio, incentivo e força que

sempre fez questão de me transmitir.

Por último gostaria de estender os meus agradecimentos a todos aqueles que, de uma forma ou

de outra (fornecendo ideias e/ou criticas construtivas), foram ajudando anonimamente ao longo

deste trabalho.

A todos vós, muito obrigado!

vii

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Conteúdo

Abstract iii

Resumo v

Agradecimentos vii

1 Introdução 1

1.1 Contexto e Motivações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Objectivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Organização do Documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Sistema de instrumentação 5

2.1 Parâmetros de Interesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1 Acelerómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.2 Extensometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Aquisição de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.1 Armazenamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3 Equipamento de Trabalho 17

3.1 Ferramentas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.1 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.2 Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

ix

3.1.3 LabView . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1.4 Solid Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2 Conversão de Unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.1 Formulação matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.2 Algoritmo de conversão de unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3 Filtro passa-baixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.4 Programa de aquisição de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.5 Extensometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.5.1 Colagem dos extensómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4 Montagem e Resultados Experimentais 35

4.1 Calibração e verificação dos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1.1 Acelerómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1.2 Extensometria e Placa NI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2 Ensaios Laboratoriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2.1 Ensaio a um componente instrumentado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.3 Ensaio Intermédio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.3.1 Montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.3.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.3.3 Conclusões e melhorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.4 Ensaio Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.4.1 Montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.4.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.4.3 Resultados com calibração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.4.4 Conclusões e melhorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5 Conclusões 59

5.1 Análise Crítica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

x

Bibliografia 64

Apêndices 67

A Programas desenvolvidos 67

A.1 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

B Ensaios experimentais 83

B.1 Ensaio de calibração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

C Documentação Técnica 87

C.1 Placa de Prototipagem - Protoshield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

C.2 Sistema final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

C.3 Imagens dos componentes utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

xi

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Lista de Tabelas

2.1 Sistemas de armazenamento de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2 Características do filtro passa-baixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.3 Resultados da calibração do acelerómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.4 Características da viga ensaiada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.5 Características dos extensómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.6 Resultados para o ensaio a uma viga encastrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.7 Ligações dos Extensómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.8 Resultados obtidos no ensaio do componente instrumentado com extensómetros 48

xiii

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Lista de Figuras

2.1 Extensómetro do tipo Metal-Foil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 Arduino Uno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.3 Algoritmo do programa de conversao em Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.4 Dados filtrados com um filtro passa-baixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.5 Comparação entre os dados filtrados e não filtrados . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.6 Algoritmo do programa em Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.7 Esquema de ligações para meia ponte I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.8 Esquema de ligações para meia ponte II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.9 Extensómetro utilizado neste trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.10 Superfície de colagem dos extensómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.11 Tipos de adesivos para colagem de extensómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.12 Extensómetro colado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.13 Aspecto final da montagem dos extensómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.14 Ensaio de calibração - vista geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.15 Montagem experimental - ensaio de calibração dos acelerómetros . . . . . . . . . 37

4.16 Curva de Calibração ADXL335 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.17 Curva de Calibração Systron Donner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.18 Montagem experimental - ensaio de calibração do Arduino . . . . . . . . . . . . . 39

4.19 Curva de Calibração Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.20 Montagem geral para ensaio a uma viga encastrada . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.21 Posicionamento dos Extensómetros na viga ensaiada . . . . . . . . . . . . . . . . 42

xv

4.22 Resultados ensaio a viga encastrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.23 Ponte de Wheatstone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.24 Vista geral do ensaio à peça instrumentada com extensómetros . . . . . . . . . . 46

4.25 Vista geral da malha utilizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.26 Vista de pormenor da malha utilizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.27 Resultado computacional para a extensão obtido com o software de elementos

finitos - Vista esquerda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.28 Resultado computacional para a extensão obtido com o software de elementos

finitos - Vista direita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.29 Resultados obtidos no ensaio da peça instrumentada com extensómetros . . . . . 50

4.30 Montagem dos Acelerómetros e Potenciómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.31 Aceleração obtida a partir do sistema de instrumentação na Alemanha . . . . . . 53

4.32 Resultados do ensaio no campo de futebol da AEIST . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.33 Tratamento de dados com resultados da calibração . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.34 Ruído medido em função da velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

B.35 Montagem experimental - vista geral ensaio de calibração do acelerómetro . . . . 84

B.36 Montagem experimental - acelerómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

B.37 Montagem experimental - Multímetro, Acelerómetro e Inclinómetro . . . . . . . . . 85

B.38 Montagem experimental - Acelerómetro de precisão e Inclinómetro . . . . . . . . . 86

B.39 Montagem experimental - Calibração do Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

C.40 Vista de topo da placa de prototipagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

C.41 Esquema eléctrico do Protoshield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

C.42 Integração do sistema de aquisição e armazenamento de dados . . . . . . . . . . 89

C.43 Esquema eléctrico do invólucro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

C.44 Sistema de aquisição de dados para extensometria . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

C.45 Acelerómetro ADXL335 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

C.46 Módulo de cartões SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

C.47 Encoder e velocímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

xvi

C.48 Arduino Mega . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

xvii

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Lista de Símbolos

α, β Coeficientes de pesagem para a filtragem de resultados

ε Deformação

σz Tensão no plano z

ν Coeficiente de Poisson

τ Constante de tempo

i Número da amostra

Ixx 2º Momento de área no eixo xx

Ixy 2º Momento de área cruzado

Iyy 2º Momento de área no eixo yy

mV mili Volt

Mx Momento flector ao longo do eixo xx

My Momento flector ao longo do eixo yy

nsamples Frequência de amostragem

R Resistência

R2 Estatística: Coeficiente de correlação

RL, Rfios Resistência interna do cabo

R1,2,3,4 Resistências que compõem a ponte de wheatstone

Vex, EX Tensão de excitação da ponte de Wheatstone

Vout, VCH , Al Tensão à saída da ponte de Wheatstone

Vr Voltage Racio

V cc Tensão de alimentação dos acelerómetros

xix

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Lista de Acrónimos

ADC Analog to Digital Converter

AEIST Associação dos Estudantes do Instituto Superior Técnico

ASCII American Standard Code for Information Interchange

CAD3D Tridimensional Computer Assisted Design

DIY Do It Yourself

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

EMI Electromagnetic Interference

FEM Finite Element Method

GND Ground

GPS Global Positioning System

IST Instituto Superior Técnico

I2C Inter-Integrated Circuit bus

LED Light-Emitting Diode

MEMS Microelectromechanical Systems

PC Personal Computer

RS Remote Sensing

RTC Real-Time Clock

SC Shunt Calibration

SD Secure Digital

SPI Serial Peripheral Interface bus

SRAM Static Random Access Memory

USB Universal Serial Bus

xxi

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Capítulo 1

Introdução

Oprojecto de uma estrutura para um dado fim baseia-se no conhecimento da situação normal

de operação pretendida. Tirando partido dos modelos computacionais disponíveis, as

metodologias utilizadas hoje em dia usam este conhecimento para completar os modelos numéricos

e assim obter resultados reais satisfatórios. Há no entanto uma nuance nesta afirmação. Quão

satisfatório é um resultado? Quão preciso é o modelo computacional utilizado quando comparado

com a estrutura real? Estaremos dispostos a aceitar uma certa disparidade em relação à

realidade (considerando um factor de segurança mais elevado) ou pretendemos minimizar os

custos (de material, manufactura ou outros) e basear o projecto confiando no modelo computacional?

Como em quase todos os campos da ciência, fazendo estudos e modelos detalhados garantimos

maior confiança nos resultados ou no comportamento da estrutura ou sistema real. Esta afirmação

justifica, sempre que possível, a utilização de métodos experimentais que nos permitam recolher

o maior número de dados possível, graças ao uso de um sistema de instrumentação.

É prática corrente no projecto mecânico a utilização de ferramentas computacionais, em particular

pelo actual baixo custo e grande capacidade de cálculo dos sistemas informáticos. A possibilidade

de desenvolver modelos numéricos com grande detalhe ajuda, numa fase de pré-projecto ou

mesmo na fase de desenvolvimento, à obtenção de soluções com modelos virtuais com grande

correlação com a realidade. Esta metodologia, baseada em modelos computacionais (numéricos)

complementada com a utilização de técnicas de instrumentação dá aos projectistas todas as

garantias nos seus projectos.

1

2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

1.1 Contexto e Motivações

Como ponto de partida para este trabalho foi usado o projecto do veículo denominado

"HidrogenIST", um veículo experimental para a competição Shell Eco-Marathon desenvolvido

no IST por uma equipa de alunos (denominada PSEMbyIST http://psem.ist.utl.pt) da

qual o autor desta Tese faz parte. O projecto deste veículo, incluindo a sua parte estrutural,

foi modelado num sistema de CAD3D (programa Solid Works), a partir do qual foram realizadas

simulações computacionais, utilizando o Método dos Elementos Finitos (FEM). Estas simulações

permitiram obter os primeiros resultados do comportamento estrutural do veículo antes da construção

do protótipo. Inicialmente, o objectivo era a conjugação de técnicas numéricas com técnicas

experimentais, na simulação dinâmica do comportamento do veículo. Os atrasos na aquisição

de algum equipamento de aquisição de dados não permitiram o aprofundar deste trabalho nesta

área. Tal ficará aberto como desenvolvimentos futuros no seio da equipa.

Instrumentar um veículo, com o objectivo de conhecer as suas condições de funcionamento,

implica um estudo prévio das condições que se pretendem analisar, incluindo as situações de

carga previsíveis e restantes condições de funcionamento. Instrumentação implica a preocupação

com fenómenos tanto externos como internos ao sistema. Há que ter em conta, por exemplo,

o ruído electromagnético exterior, possíveis interferências internas, acção do calor gerado pelos

diversos componentes ou até calor gerado pelo meio circundante que afecta o desempenho do

sistema proposto.

Por outro lado, especificar um sistema de instrumentação capaz de assegurar a monitorização

"perfeita" de um sistema ou estrutura e ao mesmo tempo manter baixo o seu custo de implementação

parece um tarefa contraditória. Para se conseguir desenvolver tal sistema, é necessário adequá-

lo o mais possível às necessidades tendo consciência de que é impossível criar o sistema “ideal”,

visto que durante o trabalho há compromissos que permitem manter controláveis o custo e a

exequibilidade do mesmo.

Com a corrente massificação de componentes electrónicos de baixo custo e facilmente acessíveis

ao utilizador comum, há tendência natural para o consumidor final tentar adaptar projectos DIY

(Do It Yourself) a determinados equipamentos com fins científicos ou comerciais. É para esse

mercado que surgem plataformas como o Arduino (www.arduino.cc) cuja grande versatilidade

e funções disponíveis permitem ao utilizador a sua inclusão em múltiplos projectos, seja de forma

autónoma ou ligado a outros equipamentos. Neste caso específico, o objectivo do sistema é de

aquisição e armazenamento de dados para utilização a bordo de um veículo experimental. No

entanto, não se pretende que o trabalho desenvolvido se aplique apenas a esta estrutura em

particular, mas também que a plataforma seja compatível com outras aplicações, particularmente

http://psem.ist.utl.pt

www.arduino.cc

1.2. OBJECTIVOS 3

em veículos. Assim sendo, o desenvolvimento do sistema teve em conta a necessidade de prever

essas diferentes condições de utilização ao mesmo tempo que se procura manter o custo final o

mais baixo possível.

Apesar do veículo de teste ser um automóvel, este trabalho aplica-se a diversas áreas de

engenharia incluindo a Aeroespacial. Contudo, no caso de protótipos de aviões, o perigo de

despenhamento é maior com a consequente destruição do equipamento. Desta forma a utilização

de sistemas de instrumentação de baixo custo permite a implementação dos mesmos em protótipos

onde o risco de danos é elevado. Por serem de fácil aquisição e montagem é possível rapidamente

proceder à sua substituição após a eventual destruição. Por exemplo, no caso de um Unmanned

Aerial Vehicle (UAV) ou um protótipo de competição automóvel, após um despiste, é natural

os sensores e suportes de armazenamento ficaram danificados. Um equipamento igual ao

instalado poderá ser imediatamente montado e o programa de ensaios retomado sem grandes

atrasos.

1.2 Objectivos

O objectivo desta Tese de mestrado é a concepção e implementação de um sistema de instrumentação

capaz de monitorizar vários parâmetros e guardar a evolução dos mesmos ao longo do tempo.

Esses parâmetros podem ser medidos com recurso a diversos tipos de sensores, segundo

metodologias apropriadas. Um primeiro passo importante é a explicitação clara dos objectivos,

definindo os parâmetros em três categorias:

• os fulcrais para o ensaio;

• aqueles que são considerados importantes mas não são fundamentais;

• aqueles cuja aquisição é considerada como útil mas o sucesso do trabalho desenvolvido

não está dependente destes.

O problema é que ao baixo custo de algum equipamento está, normalmente, inerente uma baixa

precisão. Como referido na secção anterior, a massificação de componentes de electrónica

permite encontrar os que resolvem os diversos problemas. Aplicando as técnicas e metodologias

adequadas, pretende-se avaliar as capacidades de um sistema baseado em componentes de

baixo custo, os quais com um correcto dimensionamento e selecção, permitem ultrapassar

as imprecisões e incompatibilidades. Este objectivo implicará certamente um compromisso

entre preço e qualidade do material electrónico assim como um cuidado adicional aquando da

4 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

implementação da programação em software para que sejam contempladas estas características

(ou falta delas) nos algoritmos a desenvolver neste trabalho.

A meta final para este trabalho foi a concepção de um sistema composto por dois módulos. O

primeiro, baseado numa placa de aquisição de dados para extensometria, capaz de ler o sinal

proveniente de uma ponte de Wheatstone, converter esse sinal eléctrico em microdeformações

e enviar esses dados por uma comunicação USB para um computador portátil a bordo onde é

feito o registo de dados. Por outro lado, um módulo baseado em Arduino onde se pretendeu

fazer a aquisição dos sinais provenientes dos sensores implementados (três acelerómetros,

dois potenciómetros e um encoder rotativo). Estes dados adquiridos são convertidos em sinais

digitais e armazenados a uma velocidade suficientemente grande para que não haja implicações

ao nível do desempenho do sistema Arduino.

1.3 Organização do Documento

O trabalho desenvolvido nesta Tese abrange sobretudo duas áreas fundamentais da Engenharia:

Mecânica Estrutural e Instrumentação. Como tal, dentro de essas mesmas áreas, será feita

a especificação dos requisitos operacionais do sistema a que o autor se propõe desenvolver

seguida de um capítulo dedicado às ferramentas, tanto de software como hardware, utilizadas

para a concretização do trabalho.

Por ser este um trabalho maioritariamente experimental, uma grande parte do seu conteúdo

corresponde à descrição dos ensaios realizados. Quanto aos ensaios, o documento pode ser

dividido em três temas distintos:

• Montagem experimental: ilustração e documentação das condições dos ensaios;

• Aquisição, recolha e suporte de dados: análise sobre os vários métodos usados;

• Tratamento de dados: discussão e avaliação sobre os resultados obtidos;

Por último, são apresentadas as conclusões extraídas deste trabalho assim como as sugestões

do autor para trabalhos futuros envolvendo este sistema ou sistemas semelhantes.

Capítulo 2

Sistema de instrumentação

Neste capítulo pretende-se fazer uma breve revisão dos elementos que foram utilizados no

sistema de instrumentação, procurando adequar os componentes às necessidades, tendo

atenção particular no tipo e grandeza dos sinais a adquirir.

2.1 Parâmetros de Interesse

Nesta secção pretende dar-se a conhecer, de forma detalhada, os parâmetros que, de forma

directa ou indirecta, afectam a estrutura e os sistemas em estudo. Assim sendo, as grandezas

físicas cuja evolução dinâmica se pretende apurar e registar são as seguintes:

• Deformações estruturais, através das quais será possível calcular os esforços nas peças

instrumentadas do mecanismo;

– Em peças metálicas, estas deformações são normalmente infinitésimais;

– Frequência mínima de amostragem: 45 Hz;

• Acelerações às quais a estrutura está sujeita seja como resultado de uma manobra em

pista (tipicamente curvas e/ou travagens) ou devido ao piso onde o movimento ocorre;

– Medição das acelerações nos três eixos;

– Frequência mínima de amostragem: 45 Hz, esta frequência de amostragem está

directamente relacionada com as vibrações que se pretendem registar;

– Gama de medição: -3G a 3G. Esta gama foi estipulada não só para o veículo (até

porque este não atinge velocidades muito elevadas), mas também para outras aplicações

onde se queiram registar acelerações mais elevadas;

5

6 CAPÍTULO 2. SISTEMA DE INSTRUMENTAÇÃO

• Velocidade este parâmetro é de grande importância visto que outras grandezas (como por

exemplo a aceleração) estão directamente dependentes da velocidade;

– Frequência mínima de amostragem: não especificada, visto que varia consoante o

tipo de tecnologia empregue para fazer a respectiva medição;

– Gama de medição mínima:0–100km/h. Para o veículo teste é o que se pretende neste

caso;

• Posição Angular do mecanismo da direcção;


– Gama de medição mínima: +/- 15º, tendo em conta que a amplitude do movimento

neste veículo é limitada a 24º no total;

• Posição do Acelerador Controla a velocidade do veículo;


– Gama de medição mínima: 0 a 5V, visto que o veículo alvo, com propulsão eléctrica,

possuí um controlador com um sinal de input entre os zero e cinco Volt;

As frequências de amostragem mínimas para os últimos dois casos descritos foram estipuladas

tendo em conta que os parâmetros em causa são directamente accionados pelo piloto e como

tal a sua variação está limitada a não mais que uma dezena de oscilações por segundo. De

acordo com o teorema de Nyquist, se a frequência de amostragem for maior que o dobro da

frequência à qual varia o sinal analógico a adquirir, então é possível fazer a reconstrução desse

mesmo sinal com as amostras gravadas. Assim sendo, e adicionando um factor de segurança

para que tenhamos cerca de cinco amostras por cada variação no sinal original, precisamos de

uma frequência de amostragem de 50 Hz.

Já para as acelerações e deformações, temos dois tipos de sinais que se pretendem captar. O

primeiro, resultado da condução do piloto é maioritariamente composto por variações suaves e

de muito baixa frequência. Já as acelerações e deformações provocadas pelas irregularidades

do piso ou dos sistemas mecânicos (por exemplo excentricidades na afinação das rodas), têm

uma frequência igual à frequência de rotação da própria roda. De forma a não limitar a aplicação

deste sistema, admitindo um veículo que roda a 100km/h com uma roda de diâmetro exterior de

500mm, significa que a frequência de rotação é cerca de 8.85 Hz. Utilizando o mesmo critério

que há pouco, precisaríamos de uma frequência mínima de amostragem na ordem dos 45 Hz.

2.2. SENSORES 7

2.2 Sensores

Após uma breve explicação sobre os parâmetros a adquirir assim como as características segundo

as quais se pretende essa mesma aquisição de dados na secção 2.1, é necessário fazer uma

pesquisa sobre o tipo de sensores disponíveis a preços acessíveis, de forma a manter o objectivo

inicialmente traçado: um sistema capaz de fazer aquisição de dados, a baixo custo e com

elevada versatilidade. Será de futuro importante distinguir pelo menos duas categorias de

sensores visto que a sua relevância para o sucesso desta dissertação influencia, e muito, as

opções de projecto tomadas, mas de momento as características gerais dos sensores com que

se pretende adquirir os parâmetros acima mencionados são:

• elevada mobilidade;

• resistência moderada ao meio ambiente de forma a que permita a aquisição de dados no

exterior1;

• compatibilidade com um computador portátil necessário para o tratamento dos dados,

seja por armazenamento dos mesmos directamente neste tipo de suporte, seja por uma

interface de transferência de dados de simples utilização;

• Tensão de alimentação2 de 12V ou, em alternativa, alimentação através do cabo USB

proveniente do computador portátil instalado a bordo do veículo;

• Consumo de corrente limitado a alguns mA3 de forma a não encurtar de forma significativa

a duração máxima de uma sessão de ensaios com a estrutura a estudar;

Nas secções seguintes apresentam-se tipos de sensores identificados como adequados a este

tipo de utilização, justificando as opções tomadas.

2.2.1 Acelerómetros

Um acelerómetro é um sensor capaz de medir a aceleração num certo referencial. Existem

diversos tipos de acelerómetros no mercado, cada um com características indicadas a vários

tipos de aplicações. Para o caso em estudo em que se pretende ter a capacidade de medir

acelerações estacionárias até algumas dezenas de ciclos/segundo(Hz), verificamos imediatamente1Não se pretende um sistema cuja resistência ao meio ambiente seja elevada ao ponto de ser a prova de água ou

choque visto que tal representaria um elevado investimento e testes para validação dessa mesma condição, mas apenasresistente às condições normais em que se desenrolam as competições deste tipo de veículos

2Bateria de 12V já se encontra instalada a bordo da estrutura e é usada para alimentar circuitos de segurança ecircuitos secundários

3Quer seja para o caso de alimentação 12V através da bateria ou 5V através de tomada USB


que o mercado é limitado. Verificamos também que o requisito da gama de medição absoluta é

facilmente atingível e está perfeitamente dentro do normal mediante os equipamentos disponíveis

no mercado. Dos vários tipos de acelerómetros existentes, alguns descritos em [1] e em [2],

destacam-se os seguintes, agrupados segundo o seu princípio físico de funcionamento.

• Sistemas Massa-Mola Este tipo de acelerómetros é o mais antigo, simples e mais usado

até meados do século XX. Consiste numa massa acoplada a uma mola. Quando sujeita

a uma aceleração, essa massa move-se até que a força provocada pela aceleração iguale

a força produzida pela mola. A medição é feita através do deslocamento da mola a partir

da posição de equilíbrio. De notar que é comum o sistema ter também um amortecimento,

muitas vezes com recurso a um fluido viscoso, e um fim de curso de forma a limitar

a excitação da mola. Este sistema tem a vantagem de ser muito simples mas implica

a capacidade de medir com precisão o deslocamento da massa, o que em casos de

aplicação estática é exequível mas nos casos dinâmicos trará limitações em termos de

banda de frequência utilizável. Para além dos motivos mencionados há o problema de o

sistema massa mola ter uma dinâmica potencialmente capaz de interferir com o fenómeno

em estudo. A razão prende-se com o facto deste sistema ter um modo de vibração próprio

e, consequentemente, caso a vibração a medir tenha uma frequência de oscilação próxima

da frequência natural do conjunto, teremos o sistema em ressonância e não será possível

realizar a medição. Para este tipo de sistemas há que dimensionar a mola e a massa

de modo a que a frequência natural do conjunto esteja fora da gama de medida que se

pretende registar.

• Piezoeléctrico O elemento básico de um acelerómetro deste tipo é um bloco de cristal

com características piezoeléctricas ao qual se encontra fixa uma massa. Esta, quando

submetida a uma aceleração, pressiona o cristal que, por sua vez, gera uma diferença de

potencial à sua superfície. É possível então relacionar a tensão gerada com a aceleração

a que a massa está sujeita. Neste tipo de acelerómetros, a banda de frequência útil está

limitada pelas características inerentes ao próprio cristal que, devido à sua constituição,

gera um efeito do tipo filtro passa alto. Assim, quando a frequência da vibração é baixa

o cristal atenua a vibração, deturpando os resultados. No entanto, a principal vantagem

desta tecnologia ainda é a sua reduzida dimensão, uma vez que a massa e o cristal podem

ser muito pequenos. Ainda mais, de acordo com [1] a frequência própria de um sistema

deste tipo está na ordem dos milhares de Hertz e o tipo de amortecimento oferecido pelo

material é muito baixo, apesar de não nulo. Têm uma grande fiabilidade e com bastante

flexibilidade no projecto e desenho, estão disponíveis em diversas gamas de medida.

Devido às características do material que os compõe, a sua utilização em regime estático

2.2. SENSORES 9

não é possível visto que o material apenas produz um certa diferença de potencial quando

carregado dinamicamente.

• Resistivo-Capacitivo-Indutivo Nesta categoria de acelerómetros inserem-se todos os

que, através de um sistema MEMS (MicroElectroMechanical Systems) ou outro, produzem,

na presença de uma aceleração, um sinal correspondente a uma variação na sua resistência

/ capacitância / indutância interna. Os dispositivos MEMS consistem em mecanismos de

dimensão muito reduzida, da ordem de alguns micrómetros até um milímetro, usualmente

fabricados a partir de cristais de silicone, polímeros e até metais recorrendo a técnicas

de deposição de material, injecção e estereolitografia entre muitos outros. Este tipo de

processos de fabrico conduz a um tamanho final de produto da ordem dos milímetros. As

aplicações para este tipo de dispositivos são imensas mas destacam-se o seu uso em

airbags, inclinómetros, telemóveis, discos rígidos, câmaras digitais com estabilização de

imagem, controladores para consolas de jogos e até nos conhecidos Segways. Funcionam

bem tanto em regime estático como dinâmico.

• piezoresistivo Os acelerómetros piezoresistivos consistem na utilização de extensómetros

feitos a partir de material semicondutor acoplados a uma mola flexível que suporta uma

massa sísmica. Ao contrário dos metálicos, estes extensómetros variam a sua resistência

específica conforme a extensão devido a características piezoresistivas e não devido a

alterações no comprimento do filamento que compõe a grelha. As suas características são

diferentes dos piezoeléctricos porque estes precisam que lhes seja fornecida uma tensão

de excitação, no entanto têm uma impedância de saída muito baixa o que os torna ideais

para usar com cablagens compridas pois não limitam a passagem de corrente e tornam-se

menos susceptíveis a ruído. Quanto à sua utilização em regime estático, já não possui as

mesmas características do piezoeléctrico e portanto funcionam de forma adequada.

• Extensométricos Esta categoria de acelerómetros é muito semelhante aos piezoresistivos

com a diferença de que são utilizados extensómetros metálicos convencionais. Devido à

sua banalização em diversas utilizações, os extensómetros são hoje em dia um tipo de

transdutor muito estudado e desenvolvido. Ao mesmo tempo que os processos de fabrico

evoluíram, também o seu tamanho se reduziu e hoje em dia os acelerómetros baseados

em extensómetros existem sob diversas formas e em diferentes tamanhos. O facto de

serem bem conhecidos e de terem uma resolução muito grande permitem que o seu sinal

à saída da ponte de wheatstone, muito fraco por natureza, seja amplificado por circuitos

integrados para que o sinal produzido pelo conjunto seja facilmente adquirido. Estão

disponíveis num grande leque de frequências e de gama de aceleração facilmente medível

e, mais importante ainda, funcionam em regime estacionário ao contrário de alguns dos


apresentados anteriormente.

• Servo-actuados Finalmente temos os acelerómetros que funcionam baseados no princípio

do anel de controlo fechado. Este tipo de acelerómetros possuem um mecanismo baseado

num pêndulo ou numa massa sísmica que se move na presença de aceleração ao longo do

eixo sensível. Este deslocamento é medido com recurso ao efeito de Hall em que se mede

a variação de campo magnético e depois se fornece como realimentação ao controlador

de posicionamento da massa. Este tipo de controlo tem como objectivo restabelecer a

posição de equilíbrio da massa e medir a corrente que foi necessário fornecer a um outro

solenóide para a manter na posição de equilíbrio. Este tipo de controlo também é possível

com um servomecanismo a actuar na massa para contrariar a força ou o momento exercida

na mesma. Embora menos utilizado pela sua fragilidade e elevado custo, este tipo de

acelerómetros é muito preciso quando se pretende medir níveis de aceleração muito baixos

em regime estacionário.

Após uma análise dos tipos de acelerómetros disponíveis, a escolha recaiu sobre os MEMS

devido a sua disponibilidade no mercado a um preço muito inferior aos restantes (' 20e) . Para

o sistema de aquisição de dados foram adquiridos três acelerómetros ADXL335 cujo princípio

de funcionamento se baseia numa micro estrutura maquinada numa superfície de poli-silicone

suspensa por molas sobre uma placa de silicone. A deformação da estrutura na presença da

aceleração é medida com recurso a uma condensador diferencial. Uma das placas está fixa

com a estrutura móvel e a outra com a base. Quando uma aceleração desequilibra a superfície

móvel, a capacitância altera-se de forma proporcional à aceleração e portanto é possível saber a

direcção e intensidade da aceleração, tal como detalhado na respectiva folha de especificações

[3].

2.2.2 Extensometria

Tal como já foi descrito na secção 2.1, é do interesse deste trabalho a aquisição do valor

das deformações de um dado componente mecânico. Os sensores utilizados para medir as

deformações, nomeadamente as extensões, designam-se extensómetros. Apesar de ser um

tipo de sensor cuja utilização está largamente difundida e cujo princípio de funcionamento se

tenha mantido praticamente inalterado com o passar dos anos, o mesmo não se pode dizer

das suas dimensões, processo de fabrico e capacidades. Ao longo dos anos tem-se vindo a

assistir a uma mudança, nos materiais utilizados para fazer a base, nos adesivos e na forma e

material das grelhas. Apesar da evolução, de acordo com [4] e com [5] é possível agrupar os

extensómetros em cinco categorias principais. O autor decidiu adicionar uma sexta categoria de

2.2. SENSORES 11

forma a ilustrar os avanços neste campo.

• Wire-grid Tipo de extensómetro mais utilizado até algumas décadas atrás. Consiste

num filamento metálico, cuja resistência varia com o seu comprimento (ver materiais e

propriedades na secção 2.2 em [4]), disposto em "ziguezague" para formar uma grelha.

Os terminais do extensómetro, tradicionalmente em liga de cobre são soldados nas pontas

do filamento e posteriormente todo o extensómetro é coberto com uma película isolante,

curada a temperatura elevada. Este tipo de extensómetro tem como maior vantagem a sua

simplicidade de fabrico mas, pelo facto do filamento ter que ser curvado nas extremidades

há um efeito adverso a ter em conta. Há partes da grelha que na verdade estão perpendiculares

a direcção do extensómetro e portanto temos um efeito conhecido na literatura inglesa

como cross axis sensivity cuja ordem de grandeza é significativa.

• Flat-coil Extensómetro muito pouco utilizado actualmente. A sua principal diferença para

o anterior é de que o filamento é enrolado a volta de uma camada intermédia de material.

Como resultado desse enrolamento, a sua espessura final é muito elevada quando comparado

com os restantes, tornando pouco recomendado pois esse aumento de espessura poderá

provocar erros, especialmente ao tentar medir deformações em peças ou componentes

com espessura reduzida.

• Cross-bridge De utilização ainda mais rara que o anterior. Apenas é aqui referido por

razões históricas visto que foi um dos primeiros tipos de extensómetro utilizados. Consiste

em dispor paralelamente vários filamentos com o mesmo comportamento anteriormente

referido e posteriormente unidos aos pares com um filamento eléctrico de muito grande

condutividade. No entanto, as juntas feitas com solda conferem a esta categoria de extensómetros

um carácter muito frágil. Por outro lado, têm a grande vantagem de não possuir quase

nenhuma sensibilidade cruzada entre eixos assim como muito boa sensibilidade por parte

dos filamentos activos.

• Metal-foil É hoje em dia o extensómetro mais utilizado e unanimemente reconhecido como

o que oferece os resultados mais precisos com o mínimo de interferências. O seu processo

de fabrico consiste em usar uma folha metálica de espessura muito reduzida onde a

grelha desejada é impressa, com recurso a tinta anti-corrosiva ou com um processo foto-

químico. As zonas metálicas a descoberto são então removidas através de um banho

numa solução ácida. No final deste processo temos apenas a grelha pretendida, tal como

se pode observar na figura 2.1. Esta versatilidade de fabrico permite grelhas com as mais

variadas formas e dimensões fazendo com que este tipo de extensómetros seja adequado

a um sem número de diferentes aplicações. Para além da sua versatilidade, têm também


boas características no que toca a dissipação de calor gerado por efeito de Joule mas

apresentam como principal vantagem a sua reduzida espessura (< 25µm) que permite a

sua integração em espaços confinados e em componentes de dimensões reduzidas. Os

primeiros exemplares disponíveis tinham problemas de baixa tolerância à fadiga e tinham

tendência a partir mas esse problema foi entretanto eliminado com melhorias introduzidas

no processo de fabrico.

Figura 2.1: Exemplo de extensómetro do tipo Metal Foil com destaque para a grelha em "ziguezague".(Fonte: Showa Measuring Instruments Co. ,Ltd.)

• Metal Supporting Consiste numa variação de uma das configurações mencionadas acima

com a diferença de que durante o seu fabrico é utilizado um adesivo resistente a altas

temperaturas para fixar a grelha a uma lâmina metálica. Aquando da sua instalação, essa

lâmina é soldada ao componente a instrumentar. Esta categoria de extensómetros só é

utilizada em meios onde a temperatura é extremamente elevada, caso em que os adesivos

tradicionais perdem as suas capacidades.

• Fiber Bragg Grating Por último, é também importante referir um novo tipo de extensómetro

que, embora o seu uso ainda não se encontre massificado, terá num futuro próximo substituído

os extensómetros convencionais em algumas das aplicações. Este tipo de extensómetros

baseia-se em sinais ópticos em vez de eléctricos o que o torna insensível a ruído electromagnético

(EMI). O seu princípio de funcionamento consiste em fazer passar um feixe de luz por uma

zona onde há vários pontos que reflectem parte desse feixe. Essa reflexão conjunta nos

pontos cria uma interferência construtiva e gera um pico de reflexão. Este pico tem um

comprimento de onda característico que por sua vez é função do espaçamento entre os

pontos, tal como explicado em [6]. Sabendo o espaçamento inicial, é possível calcular o

novo espaçamento que corresponde à deformação local.

Pelos motivos acima explicitados acrescidos de razões logísticas, os extensómetros do tipo

metal-foil foram os escolhidos para o desenvolvimento deste trabalho. Para além do seu custo

2.3. AQUISIÇÃO DE DADOS 13

de aquisição ser bem mais acessível que os de fibra óptica, esta opção permitiu beneficiar do

grande know-how disponível no IST através das equipas de investigação afectas a esta área.

2.3 Aquisição de dados

Para a aquisição de dados, um dos objectivos deste trabalho foi a utilização de um sistema

baseado em Arduino. Este micro-controlador, ilustrado na figura 2.2 possui um preço muito

atractivo assim como uma enorme versatilidade. Mais detalhes sobre o mesmo podem ser

encontrados mais a frente neste trabalho na secção 3.1.1. O objectivo de um sistema deste tipo

prende-se com a falta de sistemas de baixo custo que sejam versáteis para integração rápida e

eficiente em diversos projectos. Este contraria a opção mais frequente no meio académico que é

de desenvolver um sistema dedicado à aplicação em estudo, sem prever possíveis reutilizações

para outros projectos actuais ou futuros.

Figura 2.2: Exemplo de um Arduino Uno. (Fonte: www.arduino.cc)

Há diversos protocolos de comunicação, sistemas de aquisição e armazenamento de dados mas

não há sistemas no mercado, a custos reduzidos, que permitam a utilização simples e versátil.

As soluções comerciais acessíveis estão normalmente limitados a um determinado protocolo ou

tipo de comunicação. Esta limitação normalmente implica a utilização de sensores do mesmo

fabricante que o equipamento de aquisição e licenças de software para a leitura dos dados.

Caso se pretenda uma solução mais versátil, eventualmente com capacidade de transmissão

de informação por telemetria, o custo torna-se incomportável para os pequenos projectos com

recursos limitados.

www.arduino.cc


Este trabalho permite colmatar essa mesma falha, realizando o projecto e prototipagem de um

sistema de baixo custo, versátil e baseado em componentes acessíveis no mercado.

2.3.1 Armazenamento

Tendo em conta o objectivo de utilização do Arduino, apenas faz sentido considerar sistemas

de armazenamento que permitam a interacção com este. Como forma de enumerar as diversas

formas e formatos de armazenamento disponíveis, de uma maneira simples e de fácil compreensão,

construíu-se a tabela seguinte onde se explicitam os critérios de interesse e selecção do equipamento.

Tabela 2.1: Características dos sistemas de armazenamento de dados disponíveis no mercado

Equipamento Chave USB1 Cartão SD EEPROM Memória Flash

Capacidade variável variável variável variávelaté 8GB2 até 4GB2 até 32Kb

Volatilidade Não Volátil Não Volátil Não Volátil Não Volátil

Ligação Serial SPI I2C, SPI ou I2C, SPI ouou SPI Serial Serial

Implementação3 Ligações Ligações Ligações Ligaçõessimples4 simples 4 simples4 simples4

Fiabilidade e Durabilidade Boa Muito Boa Má5 BoaPreço '15e '15e '1.50e -Presente no Arduino Não Não Sim SimAcessibilidade6 Boa7 Boa7 Má8 Má8

É importante referir que para além dos critérios acima listados, também há que ter em conta o

aumento de carga para o micro-controlador gerado pelo armazenamento dos dados. O processo

escolhido terá que ser rápido o suficiente de modo a não limitar a frequência de amostragem

permitida pelo restante sistema. Outro critério igualmente importante é a capacidade de resistir

às condições ambientais que rodeiam o sistema. O componente escolhido deverá respeitar os

mesmos requisitos que o Arduino e restante electrónica: baixo preço, componentes off the shelf

e resistência a vibrações normalmente produzidas por um veículo em movimento.

Ao analisar outros trabalhos relacionados com o mesmo assunto, nomeadamente [7] e [8],

observou-se que a opção pela chave USB revelou ser a que menos problemas de implementação

apresenta. É também manifestada a preocupação pelo preço de aquisição dos cartões SD

relativamente às chaves USB. Nestes dois trabalhos, não foram tidos em conta a relação qualidade/preço

1Vulgarmente conhecida como Pen-USB2Existem com maior capacidade mas o preço já não é atractivo3Esforço em termos de hardware e software para implementar a tecnologia referida4Bibliotecas já com funções de acesso e código pronto a funcionar5Limitada a cerca de 100 000 ciclos de escrita/leitura6Facilidade de acesso aos dados gravados para posterior análise7Sistema de ficheiros FAT, facilmente reconhecido pelo sistema operativo dum computador8Implica a ligação do Arduino ao computador, implementação de código para o Arduino fazer a leitura da memória,

transmiti-la pela porta série para o computador e gravação dos dados no disco rígido

2.3. AQUISIÇÃO DE DADOS 15

para essa mesma chave USB. Acontece que a ampla disponibilidade não representa uma oferta

com garantia de qualidade, sendo que a maioria das Pens USB tem sérias limitações ao nível

do tempo de escrita de informação. A utilização de electrónica e materiais de menor qualidade

com vista a redução de custos, apresenta um sério risco na velocidade máxima atingível.

A escolha recai sobre um sistema baseado em cartões de memória Secure Digital visto que

a oferta de mercado é ampla e com preços atractivos. O seu mercado virado para o uso

com máquinas fotográficas e câmaras de vídeo, onde o reduzido peso e dimensões são muito

importantes, tornam-nos ideais para utilização em conjunto com uma sistema baseado no Arduino.

Ao mesmo tempo, estas aplicações requerem também material de grande qualidade e fiabilidade.

Como tal, a oferta disponível no mercado para o formato SD Card é mais limitada. No entanto

esta mesma oferta limitada tem maior qualidade. No caso do sistema em estudo, algumas

das opções resultaram de opiniões de utilizadores de equipamentos similares1. Os argumentos

apresentados coincidem com a informação recolhida, com especial relevo para a opinião de que

um cartão SD possui maior estabilidade que a chave USB, em termos genéricos. Há a realçar

que no decorrer do trabalho, foi verificado também que o micro-processador tem uma carga

acentuada ao lidar com a recolha de dados portanto não pode prescindir de um tipo de memória

com acesso rápido e baixa latência.

1Maioritariamente retiradas dos foruns da comunidade Arduino disponíveis em http://www.arduino.cc/cgi-bin/yabb2/YaBB.pl

http://www.arduino.cc/cgi-bin/yabb2/YaBB.pl

http://www.arduino.cc/cgi-bin/yabb2/YaBB.pl

placeholder

Capítulo 3

Equipamento de Trabalho

O sinal adquirido por um sistema de instrumentação (sensores) tem, na sua maioria das

vezes, que ser tratado para que a grandeza medida possa ser quantificada nas suas

unidades de engenharia. A maioria dos sensores actuais converte uma variação de uma grandeza

física numa variação de uma grandeza eléctrica. Neste capítulo pretende-se dar a conhecer as

ferramentas utilizadas e os algoritmos desenvolvidos para adquirir, filtrar, armazenar e tratar os

dados experimentais com as mesmas ferramentas.

3.1 Ferramentas

3.1.1 Arduino

O Arduino é um micro-controlador programável com memória interna, capaz de executar inúmeras

operações conforme as instruções nele carregadas. A versão utilizada neste trabalho (Arduino

Mega, ilustrado na figura C.48) possui uma memória interna flash, não volátil, de 128Kb onde

as instruções são armazenadas, ocupando cerca de 22Kb. Esta memória pode ser também

utilizada para guardar variáveis dentro do próprio programa em utilização. Possuí também uma

memória SRAM de 8kb assim como uma EEPROM de 4Kb, também acessível ao utilizador. A

interacção com outros dispositivos pode ser feita através de diversas formas e protocolos como

por exemplo I2C, Serial/USB ou SPI. Esta versão do micro-controlador é baseada no AT1280 da

Atmel tendo um cristal de 16MHz, 54 portas digitais para leitura e escrita, 16 portas analógicas

para leitura ligadas um conversor analógico digital (ADC) de 10bits. Estas portas analógicas

suportam também escrita em modo digital ou em modo analógico através da geração de um

PWM. Embora não seja um sinal analógico puro, é uma aproximação do mesmo, suficiente para

17

18 CAPÍTULO 3. EQUIPAMENTO DE TRABALHO

a maioria das aplicações. Há também que destacar a possibilidade de alimentar um controlador

Arduino com tensões entre os 7 e os 12 V1, obtendo nos pinos de alimentação respectivos

tensões de 5V e 3.3V. Esta característica é extremamente útil pois dá ao utilizador a possibilidade

de utilizar uma série de sensores e outros componentes electrónicos que funcionam com estas

duas tensões de alimentação. A interface com um computador é garantida com recurso a uma

porta USB já incluída no micro-controlador. Utilizando um software próprio para o efeito e uma

linguagem baseada em Wiring, semelhante a C/C++, é possível a um novo utilizador familiarizar-

se com o ambiente de programação e rapidamente ter um projecto a funcionar.

Este equipamento está disponível no formato Open-Source o que significa que na Internet

existem inúmeros exemplos, documentos tutoriais, bibliotecas e ainda aconselhamento de pessoas

com algum tipo de experiência na sua utilização. Tal quantidade de informação é essencial

visto que permite ao utilizador concentrar-se na especificidade do seu problema, ignorando

os entraves mais triviais que "alguém" já resolveu. Em termos de compatibilidade com outro

equipamento, como cabe ao utilizador programar o micro-controlador, este pode adaptar o seu

código de modo a contemplar as instruções específicas a cada aplicação, dando total liberdade

na forma de integração.

Os poucos problemas que se conhecem são limitações de ordem técnica visto que o baixo

preço deste equipamento (20e para o Arduino e 40e para o Mega) acarreta um compromisso

no seu desempenho. O cristal de 16MHz limita o número máximo de instruções por segundo

que se podem executar. A arquitectura do micro processador da Atmel limita o tipo de operações

matemáticas a executar visto que não possui vírgula flutuante. O facto de não ser contemplada

esta possibilidade torna todas as operações matemáticas mais complexas muito demoradas e

portanto quando se utiliza um Arduino há que ter isso em mente. Uma forma de ultrapassar esta

questão, quando a utilização pretendida é a recolha de dados de sensores e armazenamento,

é guardar os dados tal e qual como são adquiridos e fazer o tratamento de dados, conversões

de unidades e restantes operações num computador após o final da sessão ou no caso do

uso de telemetria, executá-las após a recepção dos dados na estação base, evitando assim

sobrecarregar a unidade móvel.

No módulo Arduino utilizado, foi implementado um sistema de instrumentação com capacidade

para aquisição e gravação de dados num cartão SD, provenientes de vários acelerómetros,

potenciómetros, enconders e interruptores. Com recurso a bibliotecas disponibilizadas em open

source, foi possível implementar as capacidades no sistema com um menor esforço, tanto

técnico como temporal, e obter um resultado muito satisfatório.

1É possível a utilização de voltagens de alimentação entre os 5V e os 20V mas a estabilidade fica comprometida

3.1. FERRAMENTAS 19

3.1.2 Matlab

O programa Matlab é um software de computação científica com um grande leque de aplicações

adicionais (toolboxes) adequadas a inúmeros fins, destacando-se o interesse na aquisição de

dados, controlo, processamento de sinais, processamento de imagem, entre outros. A sua

linguagem é semelhante a C/C++ o que permite que a aprendizagem seja rápida, existindo

também muita informação sobre exemplos, tutoriais e ajuda, dentro do próprio programa. A

grande vantagem do Matlab sobre outros tipos de programas é a de que com este é possível

controlar e interagir com dispositivos periféricos, como por exemplo com um Arduino, de forma

muito simples através da porta série do computador ou através de uma aplicação desenvolvida

como Add-on para as ferramentas do Matlab. Para a realização deste trabalho foi essencial

uma ferramenta como o Matlab. Com esta foi possível criar algoritmos para fazer as primeiras

aquisições de dados e perceber o funcionamento dos sensores e do próprio Arduino. O sistema

de instrumentação final depende também dos programas desenvolvidos em Matlab para o tratamento

e análise de dados. À medida que o trabalho decorreu, percebeu-se que o uso do Matlab

obrigou a um compromisso: a velocidade máxima e frequência de amostragem máxima atingível

com a recolha de dados na porta série foram de apenas 308.2 Bytes/segundo e 15.41 Hz,

respectivamente. Para tal foi necessário prescindir da função de aquisição de dados e utilizar

o programa apenas para fazer o pós-processamento dos dados. Este software foi usado para

a descodificação dos dados obtidos com o sistema de instrumentação, fazendo a conversão

para unidades de engenharia, filtragem de resultados (para eliminar, por exemplo, o ruído) e

finalmente a apresentação ao utilizador dos dados adquiridos em formato gráfico com disponibilização

dos dados em ficheiro de texto, do tipo ".csv"("comma separated values") para fácil interacção

com outros programas e plataformas.

3.1.3 LabView

Um dos objectivos deste ensaio laboratorial foi criar um sistema capaz de fazer a aquisição de

dados de extensometria. A placa utilizada para ler o sinal dos extensómetros tem a referência

USB-9237 da National Instruments(R). Como forma de facilitar a aquisição de dados, foi escolhido

o pacote de software LabVIEW para fazer a interacção com a referida placa. O software é

desenvolvido pelo mesmo fabricante da placa e tal acarreta inúmeras vantagens, permitindo,

por exemplo, operações como a calibração do equipamento, configuração, aquisição de dados e

tratamento dos mesmos de uma forma rápida, utilizando sempre o mesmo ambiente de trabalho

e sem necessidade de recorrer a outros softwares evitando eventuais problemas de compatibilidade.

O objectivo desta aplicação centrou-se na implementação do hardware e software necessários à


aquisição de dados para fazer registo de dados. Por uma questão de rapidez, optou-se por usar

o programa LabVIEW Signal Express 2009 visto que este já tem embebidas todas a funções de

configuração e operação do mesmo, evitando a necessidade de aprendizagem da linguagem

de programação e conhecimentos aprofundados de LabVIEW propriamente dito. Com este

pacote em particular é possível fazer a exportação directa dos dados, no final de cada sessão

experimental, para Microsoft Excel facilitando ainda mais a obtenção de tabelas e gráficos, muito

úteis na análise e interpretação dos dados obtidos.

3.1.4 Solid Works

O Solid Works (SW) é um pacote de programas que permitem a modelação tridimensional, bem

como o projecto mecânico e estrutural com pouco esforço computacional ao mesmo tempo que

poupam ao utilizador algum tempo na realização de tarefas essenciais como desenhos técnicos

ou desenvolvimento de modelos computacionais detalhados, visto que tal é feito de forma semi-

automática. A estrutura a instrumentar foi modelada em 3D recorrendo às ferramentas disponíveis

no SW. Utilizando o módulo adicional de simulação estrutural, baseado no Método dos Elementos

Finitos, foram definidas as cargas aplicadas, definidos os apoios da estrutura de forma a obter

os deslocamentos em cada nó da malha (deformada), bem como os valores de tensão, com

particular interesse nos pontos correspondentes àqueles onde foram colados os extensómetros

na peça real. Desta forma foi possível prever as zonas mais solicitadas da peça.

3.2 Conversão de Unidades

Neste sistema em particular, os dados adquiridos são directamente guardados em valores correspondentes

a unidades eléctricas. Como tal, há que converter essas mesmas unidades para se conseguir

obter o valor e verdadeira evolução dos parâmetros de interesse. A primeira aproximação a este

problema é usar a informação proveniente do fabricante do sensor.

3.2.1 Formulação matemática

Para converter o sinal analógico de tensão variável proveniente dos acelerómetros, é necessário

usar um ADC (conversor analógico-digital). Este componente electrónico converte a variação de

tensão, neste caso no intervalo 0-5V num sinal digital de 10bits, após o qual este é armazenado.

Para o tratamento dos dados recolhidos, o valor digital é re-convertido em tensão já que os

parâmetros sensibilidade e resolução são dados em mV. Finalmente, o valor em mV é convertido

3.2. CONVERSÃO DE UNIDADES 21

no valor a aceleração (medida em G’s ente -3 e +3) como descrito em [3] para que possa ser

posteriormente analisado. A expressão inerente a esta conversão é a seguinte:

acelmV = acelbits × PrecisaoADC (3.1)

A resolução depende do conversor analógico digital em uso. No Arduino, a resolução do ADC

é de 10 bits possibilitando 1024 valores diferentes. A sua referência pode ser de 5V, estabelecida

por defeito, ou fixa pelo utilizador, neste caso 3.3V por ser a tensão de alimentação dos acelerómetros.

Se pensarmos que usando a voltagem que está estabelecida por omissão como referência para

o ADC, teremos 1024 valores para uma gama 0-5V o que nos dá uma resolução máxima de

5V ÷ 1024 ≈ 4.88mV enquanto que utilizando uma referência de 3.3V, passamos a ter uma

resolução máxima de 3.3V ÷ 1024 ≈ 3.22mV . Esta precisão é a máxima teórica atingível sendo

que a precisão real de uma leitura dependerá do sensor em uso, entre outros factores. Nos

primeiros ensaios é utilizada a referência standard mas para os ensaios de calibração e finais

descritos nas secções 4.1.1 e 4.4 já foi utilizada a referência de 3.3V, igual à alimentação dos

acelerómetros.

acelG = acelmv × Sensibilidadeacelerometro (3.2)

A sensibilidade é um parâmetro que depende do sensor. Neste caso, é inversamente proporcional

à voltagem de alimentação dos acelerómetro.

Ainda antes de ser convertido em G’s, o valor da aceleração em mV tem que ser corrigido de

forma a fixar os 0 G’s com recurso a um offset. Esta necessidade surge divido às diferentes

localizações dos acelerómetros que induzem interferências electromagnéticas nos respectivos

cabos. Estas interferências variam consoante a proximidade do motor e restante electrónica.

Naturalmente, o resultado que se obtém com a utilização do procedimento acima descrito apresenta

erros em relação a realidade porque, embora os parâmetros dados pelo fabricante correspondam

ao modelo de sensor em uso, existe sempre alguma variabilidade nas suas características de

operação, sejam devidos a variações ambientais do meio envolvente sejam devidos a variações

no processo de fabrico. Para uma utilização correcta do sensor e obtenção de informação mais

precisa será necessário efectuar um ensaio de calibração, cujo procedimento está descrito na

secção 4.1.1 deste documento.


3.2.2 Algoritmo de conversão de unidades

Para converter os valores lidos do Arduino em unidades de engenharia foi necessário criar um

algoritmo em Matlab para que os dados recebidos pelo computador ou pelo cartão SD em

formato pré-definido pudessem ser novamente convertidos em dados numéricos, formatados e

interpretáveis. O formato escolhido para os dados teve em conta a necessidade de condensar ao

máximo a informação a ser transmitida pela porta série (isto na primeira versão), e mais tarde, a

informação a guardar no cartão SD de forma a reduzir o tempo de escrita e o número de acessos.

Um dos problemas com a linguagem base do Arduino é a transmissão de dados numéricos ser

feita "byte a byte"(correspondente a um caractér) e não num formato numérico. O comando

usado por omissão, o println() consiste em enviar um número através da sua representação

em termos de caracteres ASCII enviando um byte por caractér. Tendo em conta que no caso

ADC em uso, o maior número inteiro é 1023, usam-se 4 bytes para transmitir cada valor de

10bits. No caso do algoritmo implementado na figura 3.6 optou-se por enviar cada número

em dois conjuntos de 5 bits cada. Conseguimos assim usar metade dos recursos utilizados

anteriormente dobrando a frequência de amostragem de um parâmetro. Para conseguir fazer

esta conversão foi necessário converter os valores após a sua aquisição com recurso a funções

do tipo bitshift, sejam à esquerda ou à direita, onde à representação binária de um número são

retirados os 5 bits mais ou menos significativos, respectivamente, tal como ilustrado na equação

3.3. Para reverter este processo, recorreu-se à aritmética de sistemas binários. Começou-se

por utilizar as funções embebidas no Matlab para converter os dois bytes à sua representação

binária, fazer a concatenação dos dois números e posteriormente converter o resultado para

base decimal. No entanto, verificou-se que este processo era lento e com carga pesada para o

processador e memória do computador utilizado para fazer o processamento dos dados visto

que os números binários e as concatenações eram tratadas no formato string (cadeiras de

caractéres) do Matlab e não como números. Se tivermos em conta que facilmente temos 150.000

amostras de 9 parâmetros em cerca de 5 minutos, isto com o sistema ligado através da porta

série, é fácil perceber que numa sessão de recolha de dados de uma hora são milhões de valores

a converter. Descartada a possibilidade de usar as funções embebidas no Matlab, optou-se por

utilizar álgebra de sistemas binários em que um número em formato decimal é resultado de uma

operação matemática baseada nos seus dois ou mais componentes também em base decimal,

exemplificada pelas equações 3.4 e 3.5.

1013 = 1111110101 ≡ (11111)(10101) ≡ (31)(21) (3.3)

V alorbasedecimal = 31× 25 + 21 = 1013 (3.4)

3.3. FILTRO PASSA-BAIXO 23

Note-se que esta fórmula é válida para qualquer número composto por um conjunto de m

algarismos com n bits cada. Nesse caso teremos:

V alorbasedecimal = x1 × 2(m−1)×n + x2 × 2(m−2)×n + . . .+ xm−1 × 2n + xm × 20 (3.5)

É importante notar que no diagrama de blocos da Figura 3.3, esta conversão já se encontra feita

no início do processo, estando os dados disponíveis num ficheiro .txt com formatação ASCII,

visto que antes da execução deste algoritmo, existe outro programa que permite ao utilizador

converter todo o ficheiro de dados para um ficheiro devidamente formatado. Este facto permite

gravar tanto o ficheiro com os valores tal qual foram adquiridos como os valores dos parâmetros

já convertidos a unidades de engenharia. O utilizador tem assim mais liberdade para decidir

que tipo de informação deseja guardar. Permite também que para a mesma sessão de dados

o utilizador execute vários programas diferentes, assim como utilize outro software como, por

exemplo, o Excel para fazer a conversão e exibição dos dados.

Figura 3.3: Algoritmo do programa implementado em linguagem Matlab para converter os dadosprovenientes do cartão de memória para unidades de engenharia, formato útil para posterior análisee tratamento

3.3 Filtro passa-baixo

Para a filtragem dos resultados obtidos a partir dos acelerómetros, foi necessário desenvolver

um filtro do tipo passa-baixo de primeira ordem. Este referido filtro consegue eliminar quase

todas as perturbações causadas pelo ambiente exterior sem, no entanto, perder a evolução

da aceleração ao longo do tempo. Abaixo apresentam-se as equações algébricas usadas

para o dimensionamento do filtro. Nesta secção, apresentam-se também o seu princípio de

funcionamento e um exemplo dos resultados obtidos com o mesmo.


y (i) = α× y (i− 1) + β × x (i− 1) (3.6)

α = exp

(− tsamples

τ

)(3.7)

β = 1− α (3.8)

Em que y é a amostra filtrada, x é a amostra por filtrar, τ é a constante de tempo e tsamples é a

frequência de amostragem.

Abaixo apresenta-se uma figura (3.4) com os dados obtidos do acelerómetro com e sem filtro

para comparação.

Figura 3.4: Exemplo de utilização do filtro passa baixo para suavizar os dados provenientes de umacelerómetro, a vermelho o resultado sem filtro e a azul o valor filtrado.

É importante referir que a afinação do filtro faz toda a diferença já que uma constante de tempo

maior filtrará mais o ruído mas pode também filtrar uma oscilação real e pertinente no valor da

aceleração. De igual modo, um filtro muito flexível com um valor para τ demasiado baixo, deixará

passar demasiado ruído e as leituras serão dificultadas. Um exemplo do efeito de um filtro com

a constante de tempo demasiado baixa é visível na Figura 3.4 e também na Figura 4.31 onde a

gama de medida para o sinal não filtrado está compreendida entre -1G e 1G mas, no caso do

3.3. FILTRO PASSA-BAIXO 25

sinal filtrado já só varia entre -0.2G e 0.2G. Como o objectivo desse ensaio era apenas detectar

acelerações e correlaciona-las com a existência de movimento na direcção e não a aferição da

amplitude da aceleração, decidiu o autor não alterar o filtro. Para os ensaios seguintes, o filtro

foi modificado e especial atenção foi dedicada a este facto.

Figura 3.5: Exemplo de utilização da segunda versão do filtro passa-baixo com comparação entre osdados antes e depois de filtrados.

É visível na figura 3.5 que a amplitude da aceleração filtrada se situa aproximadamente no meio

do espectro do sinal não filtrado. Assumindo uma distribuição de ruído equitativa em torno do

sinal real, a amplitude do sinal a adquirir não aparenta ter sido reduzida.

Os filtros mencionados acima foram projectados com as seguintes características:

Tabela 3.2: Dados de projecto do filtro passa-baixo tendo em conta a especificidade dos acelerómetrosusados e o sistema de instrumentação onde se encontram integrados.

Ensaio Constante de tempo τ Frequência de amostragem Período de amostragemem segundos em amostras por segundo em segundos

Alemanha 4.21 15.41 0.0649Ensaio Campo de futebol 0.15 741 0.00135


3.4 Programa de aquisição de dados

Para a recolha de dados on-board, foram tentadas duas aproximações diferentes. A primeira,

consistia em ter o Arduino a fazer a leitura dos sensores e a debitar na sua porta série as

mesmas. Um computador portátil, ligado através da porta USB ao Arduino, faz a recolha dos

dados em Matlab e armazena-os num ficheiro no disco rígido. Esta primeira abordagem revelou

ser muito prática e simples, adequando-se bem às primeiras necessidades. No entanto, com

o evoluir do trabalho, constatou-se que esta solução trazia problemas de velocidade visto que

a velocidade de transmissão de dados está limitada à velocidade da porta série assim como

a velocidade máxima com que o Matlab consegue aceder ao disco e gravar num ficheiro. Há

também a acrescentar que no caso do Arduino a utilização de interrupções interfere com o

temporizador que controla a porta série e interrompe por vezes a comunicação. Optou-se então

por uma outra solução com recurso a um slot gravador de cartões SD ligado directamente ao

Arduino por SPI. Com esta nova ligação conseguiram obter-se velocidades da ordem dos 20

KB/s, francamente superior aos anteriores 308.2 bytes/segundo anteriormente atingíveis.

O fluxograma na figura 3.6 explica o programa desenvolvido e implantado no Arduino em segunda

instância.

No respectivo fluxograma podem apreciar-se as várias etapas que levam ao funcionamento

correcto do programa. Há certos processos que no fluxograma se encontram representados de

forma simplificada, por forma a facilitar a sua interpretação mas que na realidade desdobram-se

em várias instruções, por vezes bastante complexas. O código completo para esta aplicação

pode ser encontrado no anexo A.1. O exemplo de um dos processos é a abertura do ficheiro

de registo de dados onde o algoritmo contempla uma secção onde o Arduino acede a cartão de

memória e testa a abertura de um ficheiro com o nome pretendido para se certificar de que o

referido ficheiro não existe, evitando assim perda de dados previamente guardados. O programa

testa então vários nomes acrescentando ao nome pretendido dois algarismos numéricos que

vão sendo incrementados até um nome de ficheiro não existente ser encontrado. Desta forma

evitam-se perdas de dados e erros devido a sobreposições de ficheiros. Outro exemplo de um

processo não trivial são as ligações do sensor de velocidade constituído por um encoder e um

íman. Este sensor funciona como um interruptor e portanto é necessário detectar o impulso

provocado pelo mesmo. Visto que o micro-controlador não pode parar a execução de instruções

e estar ad aeternum à espera da ocorrência de um impulso, a ligação do sinal é feita a um

dos pinos do Arduino que suporta interrupções, devidamente documentado em [9]. Este tipo de

ligação permite que o processador se concentre nas tarefas em mão e seja apenas chamado a

processar uma variação no sinal do sensor de velocidade quando esta ocorreu. O interruptor de

3.4. PROGRAMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS 27

Figura 3.6: Algoritmo do programa implementado em linguagem Aduino e carregado no Arduino Mega


início e fim da sessão de armazenamento de dados funciona segundo o mesmo princípio.

Este programa usa várias bibliotecas Open-Source, cujos conteúdos permitem realizar várias

operações complicadas com apenas algumas instruções muito simples, evitando assim a necessidade

do utilizador de dominar linguagem de baixo nível e interacção com o dispositivo SD. Embora

pareça trivial e simples, esta interacção revelou-se difícil de conseguir com as funções disponíveis

na biblioteca Arduino SdFat1 que permitiam apenas fazer gravação no cartão caractér a caractér.

Esta forma de gravação não é suficientemente rápida para uma aplicação utilizando acelerómetros

visto que com os dados obtidos se pretende proporcionar a possibilidade de uma análise em

espectro de frequências. Assim sendo, foi necessário utilizar funções da biblioteca mais complexas

para inicializar o cartão SD e o ficheiro de gravação no modo de blocos contíguos de memória.

Através desta utilização de funções não-standard, foi possível obter um tempo médio de escrita

de 512 bytes de dados em apenas 2 milissegundos. Esta implementação só foi possível através

da utilização de uma memória tipo cache intermédia2 na qual eram guardados os dados de

cerca de 17 leituras consecutivas. Com este tipo de algoritmo foi possível optimizar a utilização

do processador do Arduino, mantendo o tempo de ocupação para escrita no mínimo, permitindo

assim que a recolha de dados permanecesse a uma frequência de amostragem quase constante,

sendo afectada a cada 17 ciclos aquisição de dados.

3.5 Extensometria

O primeiro parâmetro a considerar aquando da utilização de extensómetros e na utilização de

pontes é a sensibilidade da ponte. Este parâmetro mede a tensão lida relativamente à tensão de

excitação. De acordo com [10], para uma ponte com a configuração apresentada na figura 3.7, a

sensibilidade é de 0.65mV Vout/VEX , enquanto que para o caso da ponte apresentada na figura

3.8, passamos já para valores de 1mV Vout/VEX . Estes dois tipos de ponte foram utilizados nos

ensaios conduzidos por serem as possíveis, no caso do ensaio de validação da metodologia e,

no caso do ensaio com os extensómetros colados pelo autor, a que possibilitava compensação

de temperatura ao mesmo tempo que servia para detectar tanto esforços de tracção, de flexão

e ainda mistos, [11]. A configuração ideal seria uma que fosse sensível tanto a esforços de

tracção e de flexão, com quatro extensómetros activos na mesma ponte de wheatstone. No

entanto, tal ponte exige que se faça a programação total da placa de aquisição de dados em

LabVIEW, o que por sua vez obrigaria a ainda posteriores ensaios de calibração e validação.

1Biblioteca open source disponível em http://code.google.com/p/sdfatlib/. A versão utilizada nodesenvolvimento desta dissertação foi a versão datada de 11-06-2010.

2Para esta aplicação foi usada a memória flash interna do Arduino visto que apresentava capacidade suficiente enão requeria qualquer esforço em termos de hardware

http://code.google.com/p/sdfatlib/

3.5. EXTENSOMETRIA 29

Dada a inexperiência neste campo assim como as limitações de tempo para o desenvolvimento

do trabalho, foi tomada a opção de usar meia-ponte de wheatstone.

(a) Esquema Eléctrico (b) Localização e Esforços

Figura 3.7: Esquema de ligações e situações de carga possíveis para meia ponte do tipo I (Fonte:National Instruments)

(a) Esquema Eléctrico (b) Localização e Esforços

Figura 3.8: Esquema de ligações e situações de carga possíveis para meia ponte do tipo II (Fonte:National Instruments)

Do ponto de vista funcional, podemos caracterizar os extensómetros como activos, de Poisson

ou ainda dummy gauge. O primeiro corresponde a um alinhamento com a direcção em relação

à qual se pretende medir a extensão. O segundo corresponde a um extensómetro colocado

perpendicularmente relativamente ao anterior. Esta colocação tem como objectivo aumentar

a sensibilidade da ponte tirando partido do efeito de Poisson, através do qual a extensão na

direcção transversal à principal também pode ser medida. Finalmente temos os chamados

dummy gauges que apenas servem para fazer compensação de temperatura ao outro extensómetro

que está realmente colado à superfície. De notar que no caso da ponte feita com dois extensómetros

activos ou com um activo e um de Poisson, também há esse mesmo efeito de compensação de

temperatura visto que os extensómetros se encontram na mesma metade vertical da ponte de

wheatstone.

Conhecendo já o tipo de ligação e a carga a medir com cada tipo de ponte, falta apenas explicitar

as equações que permitem calcular a deformação produzida a partir da variação de tensão nos

terminais da ponte.

Para uma ponte de wheatstone, a variação de tensão nos terminais à saída da ponte é função da


tensão de excitação à entrada assim como das variações das quatro resistências. Assim sendo,

de acordo com [4], [12], [10] e com [2], e para o caso mais geral temos a equação 3.9.

VCH =R1R3 −R2R4

(R1 +R2) (R3 +R4)VEX (3.9)

É importante notar que no caso de termos R1R3 = R2R4, a ponte está em equilíbrio e a tensão

à saída é nula. Este pormenor é muito útil pois permite o balanceamento da ponte de forma a

que a saída seja nula para deformação nula.

Comecemos por definir um parâmetro intermédio, o voltage racio ou Vr na equação 3.10.

Vr =VCH(carregado)− VCH(repouso)

VEX(3.10)

Então para a meia ponte do tipo I, temos a equação 3.11a, mencionada pelos mesmos autores.

Nessa equação é visível o efeito provocado pela resistência dos fios eléctricos. Se a resistência

for muito pequena então Rfios é muito pequeno e poderá desprezar-se, simplificando-se a

equação para a expressão 3.11b apresentada.

ε =−4× Vr

GF (1 + 2× Vr)×

(1 +

Rfios

Rextensometro

)(3.11a)

ε =−4× Vr

GF (1 + 2× Vr)(3.11b)

Segundo os autores acima mencionados, para o segundo tipo de ponte, ilustrado na figura 3.8,

temos também o mesmo tipo de equação e de simplificação, ambas explicitadas nas equações

3.12a e 3.12b, .

ε =−2× VrGF

×(

1 +Rfios

Rextensometro

)(3.12a)

ε =−2× VrGF

(3.12b)

3.5.1 Colagem dos extensómetros

Os extensómetros utilizados para instrumentar o componente mecânico são extensómetros tri-

axiais iguais aos da figura 3.9. Estes extensómetros possuem uma resistência de 120Ω, com um

Gauge Factor de 2.14 e são fabricados pela Showa Measuring Instruments Co.,Ltd.. A opção por


extensómetros tri-axiais não foi uma opção de projecto mas sim uma opção de logística por não

existirem extensómetros bi-axiais disponíveis. Desta forma optou-se por instalar os tri-axiais e

deixar em circuito aberto os terminais correspondentes ao extensómetro intermédio (a 45º com

os outros dois). Com este tipo de extensómetros, correspondente a dois extensómetros a 90º

entre si, podemos garantir que, aquando da colagem, esse ângulo se mantém. Assim é possível

fazer apenas uma colagem em cada local de medição, simplificando o processo e minimizando

as probabilidades de erro.

Figura 3.9: Exemplo de extensómetro utilizado neste trabalho (SHOWA N32-FA-5-120-23)

Na utilização de extensometria para análise experimental de tensões, uma das maiores fontes de

erros provem da má colagem dos extensómetros. Para o correcto funcionamento dos extensómetros

a sua base tem que deformar tanto quanto a superfície que pretendem medir. Se esta colagem

não for perfeita, e o utilizador não se aperceber desse facto, nunca conseguirá obter correlações

entre resultados teóricos e práticos. Como tal, lista-se abaixo a metodologia seguida baseado

no procedimento descrito em [4], de forma a garantir uma boa colagem dos extensómetros

utilizados no componente mecânico instrumentado.

• Em primeiro lugar, limpou-se a superfície do alumínio nos locais onde se pretendiam fixar

os extensómetros. Esta limpeza implica também o uso de uma lixa de grão muito fino para

eliminar a rugosidade superficial causada pelo tipo de acabamento. A peça foi fabricada

com recurso a uma fresa de comando numérico. No entanto, para minorar a ocupação da

máquina e porque não era um requisito de fabrico, não foi dada atenção ao acabamento

superficial e este ficou tal e qual a ultima passagem da fresa, ainda com uma cabeça

de desbaste. O único tipo de acabamento utilizado foi um banho para protecção contra

a corrosão. Na figura 3.10 pode observar-se a superfície já devidamente lixada e limpa.

Nota-se nesta figura que, para eliminar a rugosidade da superfície, foi necessário remover

parte da película anti-corrosiva.

• Após a limpeza, é necessário alinhar os extensómetros com os eixos ao longo dos quais

se pretende medir a deformação do material. Esses mesmos eixos foram marcados no

local de colagem tal como se nota na figura 3.10(b).


(a) Superior (b) Inferior

Figura 3.10: Vista de pormenor das duas superfícies de colagem dos extensómetros

• O passo seguinte consiste em colar os extensómetros à superfície alvo. Este processo

implica a utilização de um adesivo. Há inúmeros adesivos disponíveis no mercado e

diferem no tipo de composto base, tempo e tipo de cura, resistência a ambientes adversos,

entre outros factores. Para explicitar as diferenças entre os vários adesivos, optou-se por

incluir a tabela da figura 3.11. A opção recaiu sobre um adesivo à base de cianoacrilato

visto que este proporcionava um tempo de cura atractivo e sem necessidade de controlo

de temperatura. A peça ao qual foi aplicado não está sujeita a altas temperaturas portanto

não há risco de descolagem por deformação térmica do adesivo.

Figura 3.11: Tipos de adesivos para colagem de extensómetros e respectivas características (Fonte:Showa Measuring Instruments Inc.)

Para garantir uma boa adesão é necessário pressionar o extensómetro contra a superfície

à qual se pretende obter adesão, obtendo-se um aspecto final como o visível na figura

3.12(a).

• Após o devido tempo de cura do adesivo, optou-se por aplicar duas camadas de verniz


(a) Sem verniz (b) Com verniz

Figura 3.12: Extensómetros já colados na peça, com e sem a camada de verniz protector

protector. Este verniz destina-se a evitar que ambientes mais agressivos possam danificar

o extensómetro assim como proteger a colagem de puxões ou esticões no cabo. A referida

camada protectora é visível na figura 3.12(b).

• Posteriormente soldaram-se aos terminais do extensómetro os fios eléctricos que servirão

para fazer a ligação posterior em ponte de wheatstone. Na figura 3.13 são visíveis os

pontos de solda e o cabo utilizado.

(a) Inferior (b) Superior

Figura 3.13: Aspecto final da montagem dos extensómetros com camada de verniz, soldaduras, caboseléctricos e fita protectora

• Como medida adicional de protecção, foram aplicadas mais três novas camadas de verniz

que servem também para isolar electricamente os dois fios de alimentação e respectivas

soldaduras. Finalmente, usou-se fita isoladora para prender firmemente o cabo dos extensómetros

à peça instrumentada de modo a que na eventualidade de um puxão no cabo, esse mesmo


esforço não fosse transmitido às soldaduras, evitando assim possíveis fontes de maus

contactos. Esse trabalho é visível na figura 3.13.

Finda a instrumentação do componente, passou-se ao teste descrito na secção 4.2.1 com o

objectivo de verificar o sucesso da colagem.

Capítulo 4

Montagem e Resultados

Experimentais

Neste capítulo pretende-se explicar e mostrar de forma sucinta os ensaios realizados, a sua

montagem experimental, os resultados obtidos e as conclusões retiradas dos mesmos.

4.1 Calibração e verificação dos sensores

Antes da utilização dos sensores para a recolha de dados é necessário verificar o seu correcto

funcionamento e efectuar um ensaio de calibração de forma a acautelar eventuais erros de

medição que podem ser provocados pelo próprio sensor. Recorrendo a este ensaio simples

foi possível avaliar as principais características de um sensor, tal como descrito em [2]. Estes

ensaios foram conduzidos em ambiente controlado de forma a garantir a máxima exactidão dos

resultados.

4.1.1 Acelerómetros

Para testar o funcionamento dos acelerómetros, foi feito um ensaio de calibração recorrendo a

um inclinómetro, um acelerómetro previamente calibrado, fontes de tensão e multímetros1.

Importa detalhar que os cabos usados para estes ensaios de calibração foram cabos entrançados

e com baínha metálica permitindo um bom isolamento de ruído electromágnetico assim como

1Ensaio realizado na sala contígua ao laboratório de mecânica aplicada, Piso -1 do pavilhão de mecânica III do IST,a 13-09-2010 com uma temperatura ambiente de 27.8 ºC e uma humidade relativa de 31%

35

36 CAPÍTULO 4. MONTAGEM E RESULTADOS EXPERIMENTAIS

evitar as perdas de qualidade no sinal a transmitir através dos mesmos. A figura 4.14 apresenta

uma vista geral da montagem experimental enquanto que na figura 4.15 se esquematiza, de

forma simplificada as ligações aos dois acelerómetros em estudo, para este primeiro ensaio de

calibração.

Figura 4.14: Vista geral da montagem experimental utilizada para fazer a calibração dos acelerómetros.

O ensaio em si é relativamente simples, consistindo em fazer inclinar o acelerómetro que se

pretende calibrar acoplado ao inclinómetro como esquematizado na figura 4.15. Após registar

o ângulo em que se encontra o acelerómetro e o valor em Volt apresentado no multímetro, é

possível saber a aceleração. Com essa aceleração podemos construir uma curva de calibração

para o acelerómetro baseada na interpolação dos pontos obtidos experimentalmente. Assim

sendo, passamos a dispor de uma relação entre o valor da tensão em Volt nos terminais do

acelerómetro e a aceleração medida. Este procedimento foi seguido para os dois acelerómetros

disponíveis de modo a confirmar a sua linearidade e bom funcionamento. Para o acelerómetro

ADXL335, em estudo, a curva de calibração obtida encontra-se representada na figura 4.16.

Com a interpolação linear dos pontos experimentais obtidos, é possível escrever a equação

4.13a que permite converter o valor medido da aceleração em mV para G’s.

aceleracaoG′s = −2.9813× valormV + 4.8229 (4.13a)

R2 = 99.98% (4.13b)

É importante realçar que se obteve uma recta, tal como esperado, o que atesta o bom funcionamento

4.1. CALIBRAÇÃO E VERIFICAÇÃO DOS SENSORES 37

Figura 4.15: Esquema simplificado da montagem experimental utilizada para fazer a calibração dosacelerómetros.

Figura 4.16: Curva de calibração do acelerómetro ADXL335 obtida experimentalmente com recurso aum inclinómetro


do sensor e indica a ausência de erros durante a realização do ensaio. Esta afirmação é

suportada pelo valor do quadrado do coeficiente de correlação(R2) obtido.

Para o acelerómetro de precisão, optou-se por realizar também um ensaio de calibração por

forma a validar os dados constantes na folha de produto do mesmo, [13]. Assim sendo, com

o mesmo método do ensaio anterior, construiu-se a curva de calibração representada na figura

4.17.

Figura 4.17: Curva de calibração do acelerómetro de precisão Systron Donner obtida experimentalmentecom recurso a um inclinómetro

Se, para obtermos a recta que interpola os pontos experimentais, recorrermos a uma aproximação

linear, obtem-se a equação 4.14a.

aceleracaoG′s = −0.1323× valormV − 0.0027 (4.14a)

R2 = 99.99% (4.14b)

Novamente, evidencia-se o coeficiente de correlação, cujo valor obtido é muito satisfatório e

espelha a qualidade do ensaio. Este valor indica uma quase perfeita adequação entre a recta

cuja equação definimos em 4.14a e os pontos obtidos experimentalmente representados na

figura 4.17.

Posteriormente acoplou-se em conjunto os dois acelerómetros e o inclinómetro de acordo com

a figura 4.14. Com este setup foi possível comparar os dados obtidos com a recém calculada

curva de calibração e os dados provenientes do acelerómetro calibrado. Verificou-se que ainda

há algum erro associado às medições embora o mesmo seja aceitável visto que tem um valor

máximo de 2.22% no erro de fim da escala. Na tabela 4.3, ilustram-se os dados obtidos e


os erros associados para comparação entre o valor dado pelo acelerómetro a calibrar e o

acelerómetro calibrado.

Tabela 4.3: Resultados experimentais do ensaio de calibração do acelerómetro.

Acelerómetro Acelerómetro Erro Absoluto Erro Relativo Erro Fimde Precisão [G’s] ADXL335 [G’s] % de Escala %

-0.062 0.005 -0.067 108.314 -2.223-0.119 -0.117 -0.002 1.359 -0.054-0.254 -0.251 -0.002 0.946 -0.080-0.333 -0.332 -0.002 0.505 -0.056-0.942 -0.937 -0.005 0.537 -0.169-0.979 -0.974 -0.005 0.494 -0.161-1.002 -0.997 -0.005 0.496 -0.166

Posteriormente foi efectuado mais um ensaio de calibração, mas desta vez utilizando o sistema

de instrumentação completo, ou seja, foram ligados ao Arduino todos os três acelerómetros,

os potenciómetros, leitor de cartões SD, LEDs, interruptores e outros. O setup experimental

foi semelhante ao usado no ensaio anterior, com a diferença de que o acelerómetro foi ligado

ao Arduino e não a um multímetro. Na preparação deste ensaio verificou-se que o micro-

controlador, apesar de alimentado por uma bateria de 12V, quando ligado ao computador através

do interface Serial/USB, fornece uma tensão na porta 3.3V de 3.354 V diferente de quando a

porta USB se encontra desligada (3.382 V). Para evitar que este factor interferisse no ensaio,

visto que o output do acelerómetro é proporcional à tensão de alimentação do mesmo, optou-se

por criar um novo algoritmo de aquisição de dados controlado por um botão de pressão que

desencadeia a aquisição de dados no conversor analógico-digital. Esses mesmos dados são

então transmitidos através do bus SPI para o cartão de memória SD.

Figura 4.18: Esquema simplificado da montagem experimental utilizada para fazer a calibração dosacelerómetros mas, desta vez, em funcionamento conjunto com o Arduino.


Apresenta-se no diagrama de blocos da figura 4.18 a esquemática das ligações entre os vários

componentes utilizados no ensaio e na figura 4.19 a curva de calibração obtida para o conjunto.

Figura 4.19: Curva de calibração do conjunto composto pelo acelerómetro ADXL335 e pelo Arduino

Da recta que interpola os pontos obtidos experimentalmente resulta a equação seguinte:

aceleracaoG′s = −0.0095× valorADC + 4.778 (4.15a)

R2 = 100% (4.15b)

Esta curva permite calcular o valor da aceleração medida com base no valor à saída do conversor

analógico-digital, recorrendo para isso à equação 4.15a que corresponde a uma aproximação

linear para os pontos experimentais. De notar que esta curva se adequa perfeitamente aos

pontos obtidos experimentalmente, facto suportado pelo valor unitário obtido para o quadrado

do coeficiente de correlação. Igualmente importante é que com esta calibração é possível obter

o valor da aceleração directamente, sem necessidade de converter os valores experimentais

em resultados intermédios (em mV) e posteriormente nos resultados finais (em G’s). Caso os

resultados fossem provisoriamente convertidos em mV, correríamos o risco de introduzir erros

nos dados, visto que seria necessário o conhecimento muito preciso da tensão de alimentação

dos acelerómetros. Este encurtar de etapas para obtenção do valor final permite evitar erros

assim como contribuí para a simplicidade de todo o processo.

É importante referir que estes acelerómetros, para os quais se fez a calibração e posterior

comparação com um acelerómetro de precisão, são acelerómetros baratos mas cujos resultados

surpreenderam pela positiva. Com um erro de fim de escala da ordem dos 2% e um erro absoluto

inferior a 0.1G’s o ensaio foi considerado positivo. Com este tipo de equipamento, é possível


terem-se sensores com uma elevada relação qualidade/preço.

No anexo B.1 encontra-se detalhada a lista de material assim como imagens detalhadas das

montagens experimentais.

4.1.2 Extensometria e Placa NI

O ensaio abaixo descrito destinou-se a validar a metodologia proposta para a aquisição das

deformações no componente alvo através de uma placa de aquisição de dados NI-9237 acoplada

a um módulo de conversão Serial-USB USB-9162 também da National Instruments. O primeiro

teste1 ao equipamento acima mencionado foi idealizado de forma a adquirir o valor da deformação

à superfície de uma viga de secção rectangular na localização do extensómetro. As dimensões

e características do provete disponível para o ensaio encontram-se indicadas na tabela 4.4 e na

tabela 4.5 podemos encontrar as especificações dos extensómetros nele colados.

Tabela 4.4: Características do provete ensaiado do tipo viga metálica

Distância do Encastramento Largura Espessura Área da 2º Momento de Modulo deao extensómetro[mm] [mm] [mm] Secção[m2] Área[m4] Young[Pa]

115 75 6 4.5×10−5 1.35×10−9 69×109

Tabela 4.5: Características do extensómetros colados no provete ensaiado

Resistência Gauge Comprimento Largura Direcção Quant. Tipo deFactor grelha [mm] grelha [mm] Ponte

120Ω 1.7 8.5 2 Uni-axial 2 Activos Meia ponte

Neste trabalho os extensómetros usados já se encontravam colados e portanto não houve

possibilidade de fazer compensação para variações de temperatura visto não estarem disponíveis

mais extensómetros do mesmo lote para usar como dummy gauges. No entanto, tal facto não

teve consequências visíveis nos resultados porque o ensaio foi de curta duração (' 10min) e o

compartimento onde o mesmo se realizou possui ar condicionado com controlo de temperatura.

A peça instrumentada não se encontrava exposta a radiação solar e a iluminação encontrava-

se a uma distância suficiente grande para não provocar o aquecimento da mesma. A viga é

constituída por uma liga de alumínio 6061. Na figura 4.20 podemos observar o setup utilizado

com a barra e os extensómetros. Na figura 4.21 encontra-se o diagrama com a localização dos

extensómetros, encastramento e carregamento.

1Ensaio realizado no Laboratório de Vibrações e Ruído, na cave do pavilhão de mecânica III do IST


(a) Vista geral (b) Extensómetros (c) Pesos e suporte

Figura 4.20: Vista geral do setup experimental utilizado para medir a extensão provocada por umcarregamento de flexão e vistas de pormenor com os extensómetros, pesos e respectivo suporte.

Figura 4.21: Posicionamento dos extensómetros na viga ensaiada assim como também dos esforços edos apoios.

Neste ensaio utilizaram-se as equações da Mecânica clássica para o cálculo da extensão e da

tensão exercida pelo carregamento na zona dos extensómetros. Começando a partir da equação

(16.19) apresentada em [14], correspondente a tensão normal de flexão para um caso genérico

com momentos flectores em xx e yy (Mx e My, respectivamente) e seguindo a metodologia aí

apresentada temos a sequência de raciocínio descrita nas equações 4.16 e 4.17.

σz =Mx (Iyyy − Ixyx)

IxxIyy − I2xy

+My (Ixxx− Ixyy)

IxxIyy − I2xy

(4.16)

Sabendo antecipadamente que a secção onde se encontra colado o extensómetro tem forma

rectangular, o produto de inércia cruzado, Ixy é nulo, visto que há dois eixos de simetria, e

podemos, portanto, simplificar a equação. Sabemos também que não há momento My aplicado,


logo verifica-se que a segunda parcela da equação se anula. Assim obtemos a equação 4.17,

forma simplificada de 4.16, através da qual foram calculados os valores representados na figura

4.22 e tabela 4.6.

σz =Mx

Ixx× y (4.17)

εz =E

σz(4.18)

Onde E é o módulo de young.

Figura 4.22: Resultados Experimentais obtidos a partir do ensaio a uma viga encastrada sujeita a váriascargas de flexão

Recorrendo também a [14], Eq. (16.13), reproduzida de forma mais conveniente na equação

4.18, a Lei de Hooke, permite calcular a extensão resultante dessa mesma carga. A comparação

entre o valor teórico e o valor experimental obtido encontra-se no gráfico da figura 4.22 onde se

podem observar também e evolução devida aos vários pesos aplicados sucessivamente.

Embora os resultados não sejam exactos, é necessário notar que as variações nos resultados

são da ordem dos 3%, valor que pode ser atribuído aos erros humanos cometidos aquando da

medição das dimensões do provete ou variações nas propriedades do material. A aquisição de

dados decorreu tanto para a situação de carregamento como também para descarregamento.

Os resultados obtidos para a extensão foram os mesmos para as duas situações e por isso

apenas se apresentam aqueles relativos à primeira mencionada. No gráfico da figura 4.22


pode observar-se uma pequena divergência entre as duas rectas. Nota-se, no entanto, que

o declive das mesmas é constante e portanto o erro relativo cometido nas medições aparenta

ser aproximadamente constante apesar do erro absoluto aumentar com a carga. Este facto é

facilmente quantificável e para isso construiu-se a tabela 4.6. Na mesma tabela reproduziu-se

um dos valores obtidos à descarga para demonstrar a sobreposição acima mencionada.

Tabela 4.6: Resultados teóricos e experimentais para o ensaio a uma viga encastrada, com comparaçãoentre os dois através do erro absoluto e erro relativo

Carga Extensão Teórica Extensão Prática Erro Absoluto Erro Relativo[N ] [µ] [µ] [µ] [%]

05.51 20.42 21.18 0.763 3.7410.53 38.99 40.24 1.26 3.2220.55 76.12 78.54 2.43 3.1930.58 113.25 116.00 2.75 2.4392.00 340.73 360.30 19.57 5.74

10.53 (descarga) 38.99 40.18 1.19 3.06

Para além das já enumeradas boas correlações entre os resultados e a teoria, é importante

realçar a linearidade do gráfico o que indica a correcta aquisição de dados, colagem e ligação

dos extensómetros e demais condições de ensaio. Com este ensaio preliminar foi possível

validar a metodologia de aquisição de dados assim como aferir a qualidade da calibração da

placa.

4.2 Ensaios Laboratoriais

No decurso da implementação do sistema de aquisição de dados, foram feitos vários ensaios

menores com vista a testar os vários subcomponentes, cujos detalhes não são aqui relevantes.

No entanto, há um ensaio que contribuiu largamente para o desenvolvimento desta Tese, apresentado

na secção seguinte.

4.2.1 Ensaio a um componente instrumentado

Procedeu-se a um ensaio1 com vista a aferir o sucesso da colagem dos extensómetros descrita

em 3.5.1. Para este ensaio, optou-se por ligar, primeiramente, por intermédio de uma breadboard

para prototipagem e posteriormente com uma caixa de junção para redução de ruído, os extensómetros

na Ponte de Wheatstone, tal como se nota na figura 4.23. Note-se um dos ramos da ponte

referida está desenhado a traço interrompido. Esta nomenclatura pretende indicar que esse

1Ensaio realizado na sala contígua ao laboratório de mecânica aplicada, Piso -1 do pavilhão de mecânica III do IST,no dia (01-10-2010) com uma temperatura ambiente de 26.6 ºC e uma humidade relativa de 28%

4.2. ENSAIOS LABORATORIAIS 45

mesmo ramo não existe na ponte implementada visto que está na verdade, dentro da placa de

aquisição de dados. Uma das vantagens da utilização de uma placa destas é a sua capacidade

de completar diversas configurações de meias pontes. A opção por esta configuração de ponte,

para além de ser recomendada em [5], em [12] e [4] por garantir imunidade às alterações

térmicas, deve-se ao facto de existirem esforços combinados de tracção e de flexão. Embora

a configuração que garantiria maior sensibilidade seria uma ponte completa, com estes dois

esforços referidos, e com a colagem dos dois pares de extensómetros feita na peça, descrita na

secção 3.5.1, as duas pontes completas possíveis apenas permitiriam medir um dos esforços

de cada vez. Esse tipo de metodologia implicaria dois ensaios em condições idênticas para que

após o pós-processamento se tentasse reconstruir o esforço na peça. Para além da dificuldade

acrescida devido à necessidade de garantir a repetibilidade do ensaio, há que garantir que as

ligações à placa se mantivessem inalteradas. Note-se que na figura referida anteriormente, há

também a ligação de dois sinais, RS+ e RS-, utilizados para fazer o Remote Sensing. Este

consiste em medir directamente a tensão de excitação da ponte, podendo a placa de aquisição

de dados compensar automaticamente a resistência interna dos próprios fios, assinalada na

figura como Rlead. Com esta informação, o dispositivo ajusta a voltagem de excitação da ponte,

EX+ e EX-, de modo se esta ser exactamente a que se pretende. Assim, a tensão medida

nos terminais Al+ e Al-, que posteriormente é convertida em micro deformações, pode ser

comparada com a tensão fornecida para referência com muita exactidão. Para o ensaio em

discussão, as ligações foram as descritas na tabela 4.7.

Figura 4.23: Ligação dos extensómetros segundo numa Ponte de Wheatstone com utilização do RemoteSensing e Shunt Calibration (Fonte: National Instruments)

2A nomenclatura utilizada está de acordo com a da figura 3.12(b) e com os eixos assinalados nas rosetas da figura3.9, em que temos duas orientações e dois eixos para cada um dos extensómetros: Longitudinal ou Transversal e eixos1 ou 3


Tabela 4.7: Compatibilidade entre os extensómetros colados (Figura 3.12(b)) e o esquema eléctrico(Figura 4.23)

Resistências R1 R2 R3 R4Extensómetro2 3L 1T Interno Interno

Para a realização do ensaio propriamente dito, recorreu-se a pesos previamente calibrados e

apoiaram-se os mesmos no topo da peça, um a um, lendo o valor da deformação através da

placa e software referidos na secção 3.1.3. Na figura 4.24 podem observar-se dois dos pesos

utilizados, apoiados sobre a peça. É também visível a breadboard e placa de aquisição de dados,

assim como os cabos de ligação entre ambas. A voltagem de excitação utilizada foi de 10V e

antes do ensaio procedeu-se ao balanceamento da ponte de forma a que a situação de repouso

correspondesse a deformação nula. A escolha da voltagem de excitação da ponte deve-se ao

princípio de funcionamento dos extensómetros e às características da placa de aquisição de

dados. Utilizando uma voltagem de excitação de 10V é possível aumentar a relação sinal/ruído

tal como documentado em [15]. O conceito é simples: na verdade o aumento da voltagem de

excitação faz com que se aumente a magnitude da variação de tensão causada por uma dada

variação de resistência, quando comparada com uma tensão de excitação mais baixa. Assim,

consegue-se aumentar a sensibilidade da placa e também a relação sinal/ruído.

Figura 4.24: Aspecto geral da primeira montagem experimental utilizada para carregar a peça e ler asdeformações nela provocadas, ainda com recurso a uma breadboard.

O balanceamento foi feito com recurso à rotina de calibração existente no software em uso,

fazendo uso de uma resistência de precisão de 100kΩ ligada em paralelo com a resistência R2

da ponte. Os pinos assinalados como SC, correspondem a Shunt Calibration, estão internamente

ligados a essa mesma resistência, daí a sua presença no circuito. Aquando da utilização do


software de calibração, o programa liga e desliga essa resistência do circuito SC conforme se

encontre em calibração ou não.

Para este ensaio realizou-se uma simulação computacional com o modelo CAD em SolidWorks

e o seu módulo de elementos finitos designado Simulation. Neste modelo foram aplicadas as

mesmas cargas e apoios que no ensaio experimental. Para a malha de elementos finitos foi

utilizado o modo automático, visíveis nas figuras 4.25 e 4.26.

Figura 4.25: Vista geral da malha gerada

No entanto, apesar da metodologia ter aqui sido utilizada como uma mera ferramenta e não ter

sido abordado o seu conteúdo, simularam-se malhas com diferentes complexidades. Começou-

se por utilizar uma malha com poucos nós (3785) aumentando progressivamente a sua complexidade

até atingir os 264087 nós. Estas simulações tiveram por objectivo aferir a convergência de

resultados com o aumentar de número de nós na malha. Entre os dois casos limite apresentados

verifica-se uma diferença de 0.04 micro-deformações correspondendo a uma diferença de 0.01%,

donde se concluiu que com a malha menos densa, o resultado já convergiu. De forma a

averiguar qual o tipo de carregamento na zona onde foi colado o extensómetro, foi feita uma

simulação com vista a calcular as tensões principais e respectivas direcções naquela localização.

Este estudo computacional revelou que o estado de tensão na zona é uni-dimensional, existindo

apenas tensão de tracção junto à superfície do componente e esta está alinhada com o eixo


Figura 4.26: Vista de pormenor da malha gerada na localização correspondente ao extensómetro

longitudinal da peça. Em [16] poderá ser encontra mais informação acerca do métodos dos

elementos finitos e sobre a geração de malhas.

Tabela 4.8: Resultados experimentais obtidos no ensaio com pesos à peça instrumentada comextensómetros.

Carga Extensão Teórica Extensão Prática Erro Absoluto Erro Relativo[N ] [µ] [µ] [µ] [%]

0 0 0.338 0.338 -5.51 6.503 7.648 1.145 17.6110.53 12.420 14.770 2.350 18.9220.55 24.240 29.095 4.855 20.0330.58 36.070 43.346 7.276 20.1720.55 24.420 29.130 4.890 20.1710.53 12.420 14.834 2.414 19.435.51 6.503 7.860 1.357 20.87

0 0 0.480 0.480 -

Os resultados obtidos encontram-se detalhados na tabela 4.8 e ilustrados na figura 4.29. Na

tabela mencionada é visível que a diferença obtida na realização do ensaio ronda os 20%. Nas

figuras 4.27 e 4.28 são também visíveis os resultados obtidos para toda a peça.

Tal como se poderá observar no gráfico da figura 4.29, as duas evoluções são lineares, o que já

era esperado, uma vez que estamos a trabalhar no regime de deformações elásticas. Por outro

lado a diferença nos declives é representativa das diferenças anteriormente mencionadas, as

quais são certamente o produto de diversos factores. Não é possível ao autor identificar qual

a origem precisa, nem quantificar de forma exacta a influência de cada um dos factores mas é


Figura 4.27: Vista esquerda da extensão obtida para um cálculo de elementos finitos

Figura 4.28: Vista direita da extensão obtida para um cálculo de elementos finitos


Figura 4.29: Gráfico com os resultados experimentais obtidos no ensaio com pesos à peçainstrumentada com extensómetros.

possível listar as mais prováveis:

Localização do Extensómetro Imprecisões na determinação da localização do extensómetro.

A localização do extensómetro colado foi obtida com recurso a medições com uma craveira.

Estas medições foram feitas pelo autor e confirmadas por outros, mas por mais bem feita

que possa ser, nunca é uma medição exacta. Adicionalmente o uso de uma roseta,

implica que apenas um dos extensometros está verdadeiramente em contacto com a

base. Os outros, empilhados, estão em contacto com a película que isola o primeiro e

portanto, a uma distância diferente da superfície. É claro que o processo de construção

dos extensómetros tenta mitigar este efeito, mas não o consegue eliminar por completo. Há

ainda a acrescentar a influência do aquecimento por efeito de Joule de uma das grelhas

sobre as outras e vice-versa, embora o tipo de ponte utilizado preveja a compensação

deste efeito de variação de temperatura;

Ligações eléctricas ao extensómetro A utilização de uma caixa de junção é uma melhoria

relativamente a breadboard, mas ainda assim apresenta problema de adição de ruído.

Mais, o cabo utilizado para fazer a ligação do extensómetro à placa de aquisição de dados

possui um comprimento francamente superior ao necessário, por razões operacionais.

Este comprimento implica a adição de uma resistência adicional que, embora compensada

pelo programa, poderá o seu efeito não ter sido totalmente eliminado;

Orientação dos eixos dos extensómetros A orientação dos eixos dos extensómetros foi definida

4.3. ENSAIO INTERMÉDIO 51

aquando da sua colagem. Algum erro, mesmo que de décimas de grau, na orientação do

eixo de medição em relação ao eixo longitudinal da peça, resulta numa abertura angular

entre a direcção ao longo da qual há a maior componente de extensão e a direcção ao

longo da qual estamos a medir.

Caracteristicas do material As propriedades do material utilizadas para efectuar a simulação

são as propriedades tabeladas para a liga de alumínio 7075-T6. No entanto, o componente

mecânico já esteve em serviço e as propriedades mecânicas poderão ter sofrido variações,

nomeadamente devido a choques. Também o processo de fabrico do componente, a

partir de uma chapa de alumínio, pode alterar as propriedades do material na direcção de

laminagem e na direcção transversal, tal como mencionado por [4] e também amplamente

descrito em [17] e [18].

Apesar das diferenças mencionadas, considerou-se o ensaio válido. Será necessário considerar

a hipótese de, em futuros trabalhos sobre a mesma peça, melhorar o modelo de elementos

finitos, ao mesmo tempo que empregar um método de fixação dos extensómetros mais rigoroso.

Por outro lado, seria importante fazer uma caracterização detalhada do material de forma a

confirmar as suas propriedades mecânicas.

4.3 Ensaio Intermédio

O primeiro teste ao sistema desenvolvido, foi efectuado durante o mês de Maio, por ocasião da

participação do protótipo HidrogenIST na Shell Eco Marathon 2010. O sistema consistia em dois

acelerómetros e dois potenciómetros, ligados a um microcontrolador Arduino Mega.

4.3.1 Montagem

As imagens 4.30 ilustram a montagem dos sensores no protótipo. Optou-se por fixar um acelerómetro

do lado esquerdo, junto à roda traseira e outro no topo do rollbar tal como se pode ver abaixo.

O potenciómetro da direcção ficou na rótula da direcção identificada na imagem 4.30(a). É

importante referir que a orientação dos eixos dos acelerómetros não é a mesma para as duas

montagens. A compatibilização da orientação dos eixos foi feita no decorrer do processamento

dos dados em MATLAB.

A aquisição de dados foi conseguida através de um código escrito em Matlab que foi deixado

em execução num computador transportado a bordo do protótipo instrumentado.


(a) Potenciómetro direcção (b) Acelerómetro traseiro (c) Acelerómetro central

Figura 4.30: Localização e montagem dos vários sensores no protótipo

4.3.2 Resultados

Verificou-se que o ruído na leitura dos acelerómetros foi bastante acentuado, provavelmente

devido ao ruído electromagnético e à rugosidade da própria superfície do asfalto. O valor da

aceleração foi calculado com base nos dados disponíveis na datasheet do acelerómetro [3],

mais especificamente, no facto da tensão à saída ser proporcional à tensão de alimentação e

no facto de V cc/2 corresponder ao valor nulo de aceleração. Olhando para a evolução dos

parâmetros tal e qual como se obtêm do sistema de instrumentação, não se consegue observar

nenhuma correlação entre as acelerações laterais e a posição da direcção, tal como é visível no

primeiro gráfico da figura 4.31.

Como forma de melhor compreender os resultados, foi necessário implementar um filtro passa-

baixo por software. Este método tem a desvantagem de requerer um tratamento de dados

intermédio mas viabiliza a utilização dos dados recolhidos durante esta sessão. Assim sendo

apresenta-se de seguida a evolução das mesmas grandezas com e sem o filtro implementado.

Como se poderá facilmente identificar no segundo gráfico da figura 4.31, o valor da aceleração

lida pelos acelerómetros em repouso não está centrado no valor esperado para o referido eixo.

Este erro deve-se à conjugação de vários factores, sendo os mais importantes as diferentes

localizações dos acelerómetros e respectiva proximidade a fontes de ruído, assim como a tensão

de alimentação dos mesmos que neste primeiro ensaio não provinha da mesma fonte. O

acelerómetro colocado no topo do roll-bar foi alimentado recorrendo à saída de 3.3V do próprio

Arduino mas o outro, localizado junto a direcção, foi alimentado com recurso a um conversor de

tensão externo1. Esta diferença é suficiente para termos erros de offset significativos, visto que,

à altura, se desconhecia ainda a tensão de alimentação exacta dos acelerómetros assim como

a sua curva de calibração.

1O conversor de tensão utilizado foi o circuito integrado LD33V, fabricado pela STMicroelectronics

4.3. ENSAIO INTERMÉDIO 53

Figura 4.31: Resultados experimentais obtidos a partir do ensaio com o protótipo, para os vários eixos,evidenciando o ruído obtido e os efeitos da utilização de um filtro. Estes dados não reflectem a calibraçãoentretanto efectuada

4.3.3 Conclusões e melhorias

Este sistema implementado, ainda que simples permitiu concluir que um parâmetro essencial

para se conseguir correlacionar os dados uns com os outros é a velocidade de andamento

do veículo já que a aceleração lateral em curva é proporcional ao quadrado da velocidade,

[19]. Com esse mesmo parâmetro já será possível distinguir as situações em que as vibrações

provêm da realização de trabalhos no veículo com este imobilizado, sem interesse prático, e

as situações de andamento em curva com geração de aceleração lateral, situação pretendida.

Relativamente ao software de tratamento de dados, verificou-se que é necessária uma filtragem

de modo a tornar os mesmos úteis. Com essa filtragem verificou-se uma melhoria clara nos

resultados, ainda que se denotem alguns problemas como por exemplo um offset dos vários

eixos em relação ao esperado de zero G’s para os eixos x e y e 1G para o eixo z. Quanto ao

método de aquisição de dados utilizado, verificou-se que o mesmo embora simples, introduzia

um atraso no processamento dos dados e na gravação dos mesmos para o disco rígido do PC,


provavelmente devido ao próprio software e ao acesso do mesmo ao suporte de armazenamento

para manipulação de ficheiros. Verificaram-se de facto algumas perdas na comunicação entre o

Arduino e o computador através da porta série. Outro problema grave associado a este método é

a repetibilidade do ensaio. Como a alimentação do sistema depende exclusivamente da bateria

interna do portátil, após um ensaio de 1h é necessário recarregá-la. Este compasso de espera

pode ser grande dependendo do equipamento em uso e não permite que se conduzam vários

ensaios na mesma sessão, de forma prática e sem complicações, como se pretenderia de um

sistema de instrumentação.

4.4 Ensaio Final

Para este segundo ensaio de campo, optou-se por usar o campo poli-desportivo da Associação

dos Estudantes do Instituto Superior Técnico (AEIST) visto que, apesar das suas reduzidas

dimensões para veículo automóvel, possui um piso cuja construção foi cuidada de modo a não

possuir desníveis nem irregularidades quando comparado com os restantes locais disponíveis

para o ensaio dentro do IST. Os objectivos para este ensaio foram testar o recém implementado

encoder usado para medir a velocidade, o sistema de aquisição de dados através do cartão

SD e o protótipo do Protoshield1 a implementar na versão definitiva do sistema de aquisição de

dados.

Tal como referido na secção 4.1.1, ainda não tinha sido realizado o ensaio de calibração aos

acelerómetros aquando da realização deste ensaio. Como tal, o autor optou por apresentar

os resultados obtidos na altura deste ensaio, tal e qual como estavam, e no final desta secção

apresentar os mesmos dados mas, desta vez, processados de acordo com as equações deduzidas

no processo de calibração.

4.4.1 Montagem

A montagem utilizada neste teste foi baseada na montagem anterior diferindo, no entanto, ao

nível do sistema de armazenamento dos dados utilizado. Estreada neste ensaio, a montagem

utilizada foi composta por três acelerómetros ADXL335, um leitor/gravador de cartões SD, dois

potenciómetros, um encoder montado na roda traseira e finalmente um display no compartimento

do piloto para mostrar informação sobre as velocidades instantânea e média assim como distância

1Placa de prototipagem simples que vem com os mesmos pinos que o Arduino Mega e que possibilita que se soldemfichas, resistências, LEDs e um sem número de outros componentes sem nunca comprometer a versatilidade da placaprincipal. Para fazer a ligação ao Arduino basta assentar o Protoshield por cima do mesmo, ligação muito simplesassegurada pela localização dos pinos em ambas as placas.

4.4. ENSAIO FINAL 55

percorrida. Foi também decidido passar todo o sistema a alimentações com tensões de 3.3V

para se poder utilizar a mesma como referência superior do ADC em vez dos habituais 5V. Com

esta mudança conseguimos melhorar a resolução do ADC de 4.88 mV para 3.22 mV por bit.

Esta mudança teve certamente um impacto na qualidade dos resultados visto que permite uma

melhor discretização dos mesmos. Infelizmente não foi possível para este ensaio, por razões

financeiras, adquirir cabo eléctrico próprio para este tipo de sensor e ensaio. Os cabos usados,

de um condutor cada, multi-filares mas sem bainha, implicam uma aceitação tácita de algum

ruído nas medições. Os cabos correctos para este ambiente seria cabos entrançados e com

bainha para fornecer isolamento electromagnético ao sinal que o percorre. Como será visível

mais a frente, este facto terá efeitos indesejados.

Do ponto de vista do teste à placa de prototipagem, verificou-se que as resistências destinadas

a converter o sinal do potenciómetro do acelerador do protótipo dos 5V para os 3.3V eram

demasiado baixas, absorvendo portanto toda a corrente, impedindo o controlador do motor

eléctrico de receber o sinal do mesmo. Para permitir a realização do ensaio em si, foi necessário

prescindir da obtenção deste parâmetro para o resto da sessão.

4.4.2 Resultados

Devido a este ensaio, já é possível verificar uma correlação entre a posição da direcção e a

aceleração lateral em curva (vidé figura 4.32). De notar que para este ensaio também se utilizou

o filtro desenvolvido na secção 3.3 do presente documento. É também visível na figura 4.32 que

o valor lido pelos três acelerómetros não é o mesmo e essa mesma aparente diferença aumenta

com o aumento da aceleração, situação que requererá mais atenção na próxima sessão de

ensaios experimentais. Este erro deve-se a dois efeitos combinados. O primeiro, um erro de

offset é causado pelo facto dos cabos que os alimentam e transmitem o sinal serem cabos

sem isolamento assim como de diferentes dimensões entre os três sensores. O segundo, um

erro de ganho, é causado por um erro no valor utilizado como declive na equação da recta que

caracteriza o sensor. Este tipo de erro pode ser anulado com recurso a uma calibração prévia

do sensor.

Esta parte do ensaio em particular teve a duração de cerca de dois minutos e consistiu em

várias voltas ao campo, junto à vedação de modo a maximizar a distância percorrida, no sentido

horário. Pela evolução dos parâmetros registados, é possível verificar que existe um degrau na

aceleração medida, seguida de uma evolução quase constante durante alguns segundos tendo

depois um pico seguido de novo pico mas desta vez de sinal inverso, correspondendo ao início de

curva, interior da curva, final da curva com correcção do piloto para apertar ainda mais a viragem


Figura 4.32: Vista geral de um dos ficheiros de resultados obtidos durante o ensaio no campo poli-desportivo da AEIST.

4.4. ENSAIO FINAL 57

e finalmente uma aceleração inversa momentânea devido ao endireitar da direcção em que o

protótipo volta ao movimento rectilíneo. No presente ensaio, não foi possível verificar que existe

uma relação entre as vibrações a que o protótipo está sujeito e a velocidade a que o mesmo se

desloca, visto que não foi possível ao autor conseguir identificar e separar o espectro produzido

pelas vibrações devidas ao rolamento daquele produzido pelo ruído electromagnético. A razão

para esta impossibilidade foi um mau planeamento das actividades a realizar assim como a

grande dificuldade em reconhecer as acções desenvolvidas em campo, nos dados recolhidos.

Foi no entanto possível verificar que a influência da velocidade no espectro conjunto destas duas

contribuições. Tal efeito é visível na figura 5.34.

4.4.3 Resultados com calibração

Para esta secção utilizaram-se os dados adquiridos no ensaio que decorreu no campo poli-

desportivo, os mesmos que na secção acima.

Figura 4.33: Exemplo de ficheiro de dados do ensaio no poli-desportivo com tratamento de dadosincluindo as equações obtidas com calibração antes e depois da remoção do offset gerado pelaresistência interna dos cabos.


No entanto, recorrendo aos dados provindos dos ensaio de calibração, efectuou-se um novo

tratamento de dados. Optou-se por não incluir agora as representações do ângulo de viragem

da direcção nem da velocidade visto que são idênticas às apresentadas na figura 4.32. Em

relação a essa figura e por comparação com a figura 4.33 verificamos que já não existe o erro

de ganho mencionado anteriormente. Na figura da parte superior temos ainda um offset visível,

embora mais significativo em alguns eixos que noutros. Este é facilmente eliminável por software

tal como se nota no gráfico inferior da mesma figura. Novamente, o offset é causado pela

resistência interna dos cabos cuja diferença de comprimento leva a uma diferença de resistência.

4.4.4 Conclusões e melhorias

Deste ensaio, a primeira conclusão, baseada nos gráficos obtidos, é de que o sensor de velocidade

é uma enorme ajuda na interpretação da aceleração obtida. Com os dados obtidos com recurso

ao referido sensor, em conjunto com a posição da direcção num determinado momento, é

possível ao utilizador identificar a aceleração lateral causada por uma curva assim como, ainda

que com alguma dificuldade, classificar o tipo de condução a ser exercida. Outra conclusão que

se tira directamente dos gráficos é que existe um escorregamento do veículo quando em curva

visto que o mesmo perde velocidade em cada uma das curvas que realiza.

Relativamente aos dados tratados com recurso à informação obtida nos ensaios de calibração,

verificamos que a qualidade dos resultados melhorou, embora para averiguar a precisão das

medições fosse aconselhável a realização de um ensaio de calibração dinâmica com vista a

excitar o acelerómetro numa determinada gama e a uma frequência conhecida.

Um dos defeitos detectados no sistema foi a ausência de um parâmetro crucial para o entendimento

do que se passou durante o ensaio, "o tempo absoluto". Sem esta informação é muito mais

difícil, mas não impossível, relacionar um dado momento temporal e consequentemente uma

acção durante o ensaio, com o seu homólogo e respectivas consequências em termos de dados

adquiridos. Este problema já foi resolvido e o sistema final contempla já a aquisição e gravação

do tempo absoluto em conjuntos com os restantes parâmetros. Importa também mencionar que

se revelou essencial para um próximo ensaio, a utilização de cablagem de melhor qualidade e

com características apropriadas ao ensaio de forma a reduzir o ruído medido pelo sistema.

Capítulo 5

Conclusões

Neste capítulo final, pretende-se fazer uma apreciação sobre o trabalho desenvolvido, sobre o

que correu de acordo com o esperado, sobre os problemas encontrados e finalmente propor

soluções para os mesmos.

5.1 Análise Crítica

Algumas das secções neste trabalho já referem conclusões relativamente a opções intermédias

de projecto ou de implementação, as quais serão novamente mencionadas no contexto da sua

importância no sistema final.

Em primeiro lugar, há que salientar a dificuldade em analisar os dados obtidos a partir das

medições, em particular as registadas ao longo de um determinado intervalo de tempo. Conseguir

relacionar os dados obtidos ao longo do tempo e isolar os de interesse torna-se uma tarefa difícil

visto que nunca é suficientemente clara a situação de operação do veículo. Esta dificuldade

resulta da falta de conhecimento da localização (posição geográfica) do veículo ao longo do

tempo, não permitindo detectar as discrepâncias de valores nem a evolução do veículo.

A comparação entre o modelo da peça analisado pelo Métodos dos Elementos Finitos e a

medição de deformações por via experimental (extensómetria) revela algumas diferenças, verificando-

se que os valores computacionais são inferiores aos obtidos experimentalmente. Do ponto de

vista de projecto este aspecto pode ser preocupante, ao termos deformações reais superiores às

do modelo numérico (e por via delas também as tensões). Este aspecto deverá ter-se em conta

na determinação de factores de segurança de forma a evitar possíveis falhas estruturais. Apesar

das possíveis justificações já apresentadas na secção 4.2.1, há que propôr a comparação com

59

60 CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES

outros modelos numéricos utilizando programas de cálculo distintos, bem como a averiguação

do comportamento do modelo a variações da dimensão de cada elemento por controlo global e

local da malha de elementos finitos.

As medições das deformações (extensões) na peça real foram feitas com a peça apoiada numa

mesa. Apesar do processo de fabrico da peça, através de maquinação, envolver um toleranciamento

dimensional e geométrico com boa precisão, há uma série de factores que podem afectar a

qualidade do acabamento superficial final, tais como o manuseamento ou as condições de

montagem e de serviço. No caso da mesa, a precisão do acabamento superficial é muito

limitada. Estes factores influenciam o contacto entre a peça e a mesa, sendo difícil averiguar se

as condições reais do apoio condizem com as da simulação numérica.

Por outro lado, verificaram-se bons resultados no caso da maioria dos sensores baseados na

plataforma Arduino. Mais precisamente, o sensor de velocidade assim como o potenciómetro

angular funcionaram sem qualquer problema. Também nos acelerómetros os resultados foram

positivos. Verificou-se, tal como esperado, uma boa correlação entre a velocidade de avanço

e a aceleração lateral produzida em curva. Na figura 4.32 é visível um gráfico onde os dois

parâmetros referidos, assim como o ângulo de viragem da roda estão representados.

Figura 5.34: Comparação do ruído medido a diferentes velocidades

5.2. TRABALHOS FUTUROS 61

Outra conclusão deste trabalho foi a constatação de que grande parte do ruído encontrado

nas medições provém da excitação da roda traseira, proveniente do piso como da própria

excentricidade da roda. Tentou-se medir, em ambiente laboratorial controlado, a vibração causada

pela excentricidade da roda e verificou-se que a mesma depende da frequência de rotação.

Verificou-se ainda que a evolução não é linear, ou seja, o ruído introduzido no sistema a baixas

velocidades decresce acima de uma determinada velocidade de rotação. Para o caso de um

ensaio em campo, esse efeito já não foi verificado porque não foi possível conduzir um ensaio

que verificasse as condições de repetibilidade. O espaço limitado onde o ensaio decorreu não

permitiu percorrer a mesma trajectória a velocidades diferentes. Ainda assim, verificou-se que

a soma da totalidade das contribuições para o ruído é proporcional à velocidade de avanço, tal

como é visível na figura 5.34. Quanto ao ruído electromagnético produzido pelo motor eléctrico

(instalado na roda), não foi possível conduzir nenhum ensaio com vista à sua determinação para

o que seria necessário um banco de ensaios.

5.2 Trabalhos Futuros

Com base na experiência adquirida durante a realização dos trabalhos descritos neste documento,

pode-se considerar que há vários subsistemas que podem ser melhorados. Tratam-se de constatações

que só são possíveis após os ensaios em campo, visto que na maioria das vezes, só em

condições de utilização reais se conseguem detectar os problemas, isto apesar da realização de

vários ensaios laboratoriais com vista a simulação do ambiente de funcionamento. Isso implica a

realização de mais testes em condições reais, que ficam como sugestões para trabalhos futuros

no seguimento desta Tese.

Em relação ao modelo numérico de elementos finitos, deve-se começar por fazer uma análise

à própria malha gerada, verificando a convergência dos resultados em função dos parâmetros

de refinamento global e local junto dos detalhes geométricos. Será igualmente importante ter

a caracterização do material da peça, de forma a ter acesso às propriedades mecânicas mais

relevantes.

Relativamente à parte da implementação, foram verificados erros causados por interferências

electromagnéticas. Caso haja uma nova versão baseada neste sistema, é recomendável a

utilização de cabos entrançados e isolados com malha metálica por forma a minimizar os efeitos

referidos. É também importante a definição da localização dos vários componentes à priori de

forma a reduzir o comprimento dos cabos ao mínimo requerido para o correcto funcionamento

do sistema de instrumentação, que influenciará e muito o resultado final. Caso ainda subsistam

62 CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES

erros de offset causados por diferentes comprimentos nos cabos para o mesmo tipo de sensor, a

solução passará por prever no código do programa que controla o micro-controlador um período

de recolha de dados para uso na remoção desse mesmo offset num pós-processamento. Esta

acção terá que ser do conhecimento do utilizador do sistema de forma a que na situação de

repouso não influenciar o valor obtido.

Com os acelerómetros, há vários tipos de trabalhos que podem ser desenvolvidos. Nos eixos

x e y não foi possível obter conclusões sobre os valores medidos. Estes eixos correspondem

ao eixo vertical e ao eixo longitudinal relativamente ao carro. No eixo vertical a excitação é

devida ao rolamento do veículo. Utilizando este sistema de instrumentação será possível, no

futuro, fazer um estudo sobre as frequências de excitação provenientes do piso ou até sobre o

valor do amortecimento devido aos pneus e a influência da pressão no mesmo. Relativamente

ao eixo longitudinal, ou eixo x, também não foi dedicada atenção especial neste trabalho. No

futuro, estudos sobre a aceleração do veículo desde a posição de imobilização até à velocidade

regular ou sobre as características e eficiência da travagem deverão ser conduzidos com o

uso dos acelerómetros. Também estudos dinâmicos utilizando acelerómetros, colocados em

diferentes posições no carro, poderão servir para verificar a atenuação dada por toda a estrutura

e a influência da localização de vários componentes na frequência própria da mesma.

Sugere-se como trabalhos futuros melhoramentos a introduzir na aquisição de dados com recurso

a novo equipamento. O exemplo mais importante de um sensor que melhoraria muito a qualidade

do sistema será a instalação um receptor de sinal de posição por GPS. Com um sensor deste

tipo, a localização do veículo fica imediatamente determinada em absoluto, podendo o pós-

processamento ser melhorado com a adição de informação geográfica proveniente de mapas

ou cartas. Assim seriam facilmente reconhecidos obstáculos, como também tipo e orografia

de terreno. Como grande vantagem, este tipo de sensor fornecerá ainda o tempo absoluto,

velocidade e altitude. Com esta informação será possível despistar erros de leitura no velocímetro

já instalado e beneficiar do registo preciso das ocorrências facilitando a sua interpretação em

pós-processamento. Outra forma de obter a informação temporal seria a inclusão de um RTC

(Real Time Clock). Este dispositivo é barato e apenas tem que ser sincronizado com a data e

hora uma vez, passando a debitar essa informação a pedido do utilizador por um longo período

contínuo de, no mínimo, 9 anos. Outros sensores importantes incluem um sensor de pressão,

para medir a pressão exercida pelo fluído hidráulico que actua os travões e dessa forma calcular

a força exercida pelos mesmos, assim como vários sensores capazes de medir temperatura em

pontos importantes do veículo. Estes poderiam ser utilizados para determinar o aquecimento da

estrutura devido à dissipação de calor provocada pelo motor ou a temperatura dentro e fora do

habitáculo do veículo quando exposto directamente à radiação solar.

5.2. TRABALHOS FUTUROS 63

No campo do condicionamento e tratamento do sinal, há dois conceitos muito importantes cuja

aplicação deve ser considerada. O primeiro é a capacidade do sistema de receber informação

já em formato digital e guardá-la junto com os dados adquiridos no cartão de memória. Esta

característica permitiria o registo de dados adquiridos por outros sistemas presentes no veículo

ou parâmetros de funcionamento dos mesmos, como os provenientes da pilha de combustível

ou do controlador de um motor eléctrico. O Arduino Mega já possuí essa capacidade sendo

apenas requerida a inclusão de código para desempenhar essa função no programa do micro-

controlador e a criação de uma interface física que permita a interligação destes sistemas. O

segundo, e talvez o mais importante, é a utilização de um sistema de telemetria. Um sistema que

possa, em paralelo com o armazenamento dos dados, enviá-los para um estação de recepção

fixa onde o utilizador poderia ter acesso em tempo real a alguns dos parâmetros mais cruciais.

Esta capacidade adicional permitiria um acompanhamento imediato da situação, com tomada de

decisões ou mudanças de estratégia e objectivos ainda no decorrer do ensaio, prescindindo do

atraso provocado pelo pós-processamento mas não eliminando a possibilidade da sua realização.

Os dois sistemas complementar-se-iam mutuamente. Para a concretização desta tarefa recomenda-

se a utilização de um módulo baseado em tecnologia Zigbee visto que a sua integração com o

Arduino é muito simples, beneficiando das bibliotecas disponíveis e do baixo custo dos componentes.

As aplicações de um sistema tão completo com estas novas características permitiria elevar este

trabalho a um nível muito superior, permitindo a competição directa com sistemas comerciais de

custos muito superiores.

placeholder

Bibliografia

[1] I. McLaren, W.D. Mace, and A. Pool. Open and closed loop accelerometers. In AGARD

Flight Test Instrumentation Series, volume 6 of AGARDograph Nº 160. Advisory Group for

Aerospace Research and Development, Abr 1976.

[2] Ramon Pallàs Areny and John G. Webster. Sensors and Signal Conditioning. John Wiley

Sons, INC., second edition, 2001.

[3] Analog Devices. 3-Axis Accelerometer Datasheet ADXL335, rev. b edition, Jan 2010.

[4] E. Kottkamp, H. Wilhelm, and D. Kohl. Strain gauge measurements on aircraft. In AGARD

Flight Test Instrumentation Series, volume 7 of AGARDograph Nº 160. Advisory Group for

Aerospace Research and Development, Jul 1974.

[5] Albert S. Kobayashi. Handbook on Experimental Mechanics. Prentice Hall, INC., first edition,

1987.

[6] Thomas Kleckers. Fibre bragg sensors compared with electrical strain gauges for use in

force measurement - prospects and potentials. XIX IMEKO World Congress - Fundamental

and Applied Metrology, pages 226–229, Set 2009.

[7] Rui Alexandre de Sousa Andrade. Sistemas electrónicos para o Projecto FST. Master’s

thesis, Instituto Superior Técnico, Out 2009.

[8] David Rua Copeto. Automotive data aquisition system - FST. Master’s thesis, Instituto

Superior Técnico, Out 2009.

[9] ATmel. ATMega 1280 Datasheet, rev. 2549l edition, Aug 2007.

[10] Strain gauge configuration types. NI Developer Zone website, Out 2006.

[11] Choosing the right strain-gauge for your application. NI Developer Zone website, Set 2006.

[12] Teresa Leonor Ribeiro Castro Martins Morgado. Integridade Estrutural de um Componente

Ferroviário. PhD thesis, Instituto Superior Técnico, UTL, Set 2009.

65

66 BIBLIOGRAFIA

[13] Systron Donner Corporation. Model 4310 Accelerometer.

[14] T. H. G. Megson. Aircraft Structures for Engineering students. Elsevier, fourth edition, 2007.

[15] National Instruments. NI-USB-9237 User Guide and Specifications, rev. 372306b-01 edition,

Dec 2007.

[16] J. N. Reddy. An Introduction to the Finite Element Method. McGraw Hill, third edition, 2006.

[17] Jorge Rodrigues and Paulo Martins. Tecnologia Mecânica, Tecnologia da Deformação

Plástica, volume I - Fundamentos Teóricos. Escolar Editora, 2005.

[18] Jorge Rodrigues and Paulo Martins. Tecnologia Mecânica, Tecnologia da Deformação

Plástica, volume II - Aplicações Industriais. Escolar Editora, 2006.

[19] Raymond A. Serway and Jr. John W. Jewett. Physics for Scientists and Engineers with

Modern Phisics. Thomson Learning - Brooks/Cole, sixth edition, 2004.

Apêndice A

Programas desenvolvidos

A.1 Arduino

Esta versão do programa de aquisição de dados permite a utilização do Arduino em conjunto

com o leitor de cartões SD, três acelerómetros e o restante sistema.

//#define DEBUG //descomentar esta linha para usar o modo debug com

// a porta série

//define pin configuration on arduino mega

const int x_axis1=8;

const int y_axis1=9;

const int z_axis1=10;







const int p_throttle=4;

const int p_steer=11;

67

68 APÊNDICE A. PROGRAMAS DESENVOLVIDOS

const int Logled_on_off=47;

const int led_error=49;

const int wp=46;

const int cd=48;

//initialize all variables and their values

int xx1 = 0;

int yy1 = 0;

int zz1 = 0;

int xx2 = 0;

int yy2 = 0;

int zz2 = 0;

int xx3 = 0;

int yy3 = 0;

int zz3 = 0;

int throttle=0;

int steer=0;

int t_read=100; //100ms to read the potenciometers (much slower variation)

unsigned long t_absolute = 0; //time since the power up of the arduino board

volatile int state = LOW; //logging switch on or off, using interrupts allows

//less analog reads, saving execution time, speeding other readings

volatile int finish = LOW; //variable for controlling the end of each log

//session

volatile unsigned long t_rotation = 0; //varible to store the time when the

//wheel last spinned round one time, then the matlab program will calculate

// the speed

int apont = 0;

unsigned long numWrites = 0;

int inicio=0;

volatile int erro = 0; //variavel que controla o tipo de erro detectado e assim

// permite controlar o led correctamente

//inicializa variaveis necessarias ao cartao SD

A.1. ARDUINO 69

uint32_t t = 0;

uint16_t maxWriteTime = 0;

uint32_t tw = 0;

uint32_t bgnBlock, endBlock;

#include <stdlib.h>

#include <SdFat.h>

#include <SdFatUtil.h>

// number of blocks in the contiguous file

#define BLOCK_COUNT 1000UL //ficheiro de 100mb é com 200000 blocos

// dá para + de 4 horas

//ficheiro de 500Kb é com 1000 blocos e dá para 80 segundos +/-

#define num_bytes_bloco 512 //corresponde a blocos de 512 bytes cada

Sd2Card card;

SdVolume volume;

SdFile root;

SdFile file;

char str_t[100], str_max[100], str_num[100];

const char str_end[]="\r\n End of session \r\n";

// store error strings in flash to save RAM

#define error(s) error_P(PSTR(s))

void error_P(const char *str)

#ifdef DEBUG //se o modo debug está a ser utilizado, caso contrário

// nao usa a porta série

PgmPrint("error: ");

SerialPrintln_P(str);

if (card.errorCode())

PgmPrint("SD error: ");

Serial.print(card.errorCode(), HEX);


Serial.print(’,’);

Serial.println(card.errorData(), HEX);

#endif

digitalWrite(Logled_on_off,LOW); //desliga o leg que indica o log

while(true)

digitalWrite(Logled_on_off,LOW); //desliga o leg que indica o log

switch (erro)

case (2):

//pisca 2 vezes seguidas rapidas se falhou a abertura de ficheiro

// e a verificação de ficheiros repetidos

digitalWrite(led_error,HIGH);

delay(250);

digitalWrite(led_error,LOW);

delay(250);


delay(250);


delay(1000);

break;

case (3):

//pisca tres vezes seguidas se falhou a escrita ou fecho do ficheiro


delay(250);


delay(250);


delay(250);


delay(250);


delay(250);

A.1. ARDUINO 71


delay(1000);

break;

case (1):

//pisca uma vez se o cartão falhou a inicialização ou a

//abertura da raiz


delay(250);


delay(250);

break;

case (4):

//fica acesso se o cartão não está presente ou se tem o

//slider de write protect activado


break;

default:

//fica a piscar com um período de 5 segundos se ocorrer outro erro


delay(3000);


delay(3000);

break;

//fica neste ciclo infinito até que se desligue o arduino ou se

//insira de novo o cartão SD e ele faça reset

uint8_t *pCache = volume.cacheClear();


void setup()

pinMode(Logled_on_off, OUTPUT);

pinMode(led_error,OUTPUT);


interrupts();

analogReference(EXTERNAL);

attachInterrupt(5, botao_on_off, RISING); //assign the button to corresponding

//interrupt pin (18) with interrupts triggered by RISING in pin value (LOW to HIGH)

attachInterrupt(4, speed_sensor, RISING); //assign the button to corresponding

//interrupt pin (19) with interrupts triggered by RISING in pin value (LOW to HIGH)

#ifdef DEBUG //executa parte de código se o modo debug está a ser utilizado,

// caso contrário nao usa a porta série

Serial.begin(115200);

Serial.println("Debug mode ligado!");

Serial.println("Atencao: a frequência de amostragem obtida no modo debug será

significativamente mais lenta que com o programa autonomo!");

Serial.println("");

#endif


//verificação dos pinos WP e CD

if ((digitalRead(wp)==1)||(digitalRead(cd)==1))

#ifdef DEBUG

Serial.println("Por Favor verifique que inseriu o cartão correctamente e sem

a protecao de escrita activada");

#endif

erro=4;

error("Cartao com lock activado ou cartao nao presente");

#ifdef DEBUG

Serial.println("Ready");

#endif

A.1. ARDUINO 73

void loop()

if ((inicio==0) && (state==HIGH))// initialize the SD card

t = millis();

if (!card.init())

erro=1;

error("card.init");

// initialize a FAT volume

if (!volume.init(card))

erro=1;

error("volume.init");

// open the root directory

if (!root.openRoot(volume))

erro=1;

error("openRoot");

//verificação do nome do ficheiro para nao haver ficheiros sobrepostos

char name[] = "RAW00.DAT";

char nome[] = "RAW00.DAT";

for (uint8_t i = 0; i < 100; i++)

name[3] = i/10 + ’0’;

nome[3] = i/10 + ’0’;

name[4] = i%10 + ’0’;

nome[4] = i%10 + ’0’;

// only create new file for write

if (file.open(root, name, O_CREAT | O_EXCL | O_WRITE)) break;

//tenta abrir um ficheiro com o nome e apenas tem sucesso quando

// o ficheiro nao existe

if (!file.isOpen())

erro=2;


error ("duplicateverification.fileopen");

if (!file.close())

erro=2;

error ("duplicateverification.fileclose");

// delete possible existing file

SdFile::remove(root, name); //após verificação do nome a usar para não haver

// sobreposições, remove o ficheiro para o abrir em modo de blocos contíguos.

// create a contiguous file

if (!file.createContiguous(root, nome, 512UL*BLOCK_COUNT))

erro=2;

error("createfile");

// get the location of the file’s blocks

if (!file.contiguousRange(bgnBlock, endBlock))

erro=2;

error("contiguousRange");

// tell card to setup for multiple block write with pre-erase

if (!card.erase(bgnBlock, endBlock))

erro=2;

error("erase");

if (!card.writeStart(bgnBlock, BLOCK_COUNT))

erro=2;

error("writeStart");

#ifdef DEBUG

Serial.println("Card setup complete");

#endif

inicio=1;

A.1. ARDUINO 75

//if ((inicio==0) && (state==HIGH))// initialize the SD card

if ((state==HIGH) && (inicio==1))

//leitura de parametros

xx1=analogRead(x_axis1);

yy1=analogRead(y_axis1);

zz1=analogRead(z_axis1);







throttle=analogRead(p_throttle);

steer=analogRead(p_steer);

t_absolute=millis();

/*

xx1=3;

yy1=102;

zz1=350;

xx2=1003;

yy2=800;

zz2=900;

xx3=5;

yy3=960;

zz3=500;

throttle=19;

steer=1023;

t_rotation=6098777;

t_absolute=5900324;*/

#ifdef DEBUG

Serial.print(xx1);


Serial.print(" ");

Serial.print(yy1);

Serial.print(" ");

Serial.print(zz1);

Serial.print(" ");

Serial.print(xx2);

Serial.print(" ");

Serial.print(yy2);

Serial.print(" ");

Serial.print(zz2);

Serial.print(" ");

Serial.print(xx3);

Serial.print(" ");

Serial.print(yy3);

Serial.print(" ");

Serial.print(zz3);

Serial.print(" ");

Serial.print(throttle);

Serial.print(" ");

Serial.print(steer);

Serial.print(" ");

Serial.print(t_rotation);

Serial.print(" ");

Serial.println(t_absolute);

#endif

if (apont==0)

// clear the cache and use it as a num_bytes_bloco byte buffer

memset(pCache, ’ ’, num_bytes_bloco);

//guarda na cache os valores dos parametros medidos

pCache[0+apont]=0xff; //primeiro valor a escrever: byte de sincronismo

pCache[1+apont]=((xx1 >> 5) & 0x1f) & 0xff;

pCache[2+apont]=(xx1 & 0x1f) &0xff;

A.1. ARDUINO 77

pCache[3+apont]=((yy1 >> 5) & 0x1f) & 0xff;

pCache[4+apont]=(yy1 & 0x1f) &0xff;

pCache[5+apont]=((zz1 >> 5) & 0x1f) & 0xff;

pCache[6+apont]=(zz1 & 0x1f) &0xff;













pCache[19+apont]=((throttle >> 5) & 0x1f) & 0xff;

pCache[20+apont]=(throttle & 0x1f) &0xff;

pCache[21+apont]=((steer >> 5) & 0x1f) & 0xff;

pCache[22+apont]=(steer & 0x1f) &0xff;

pCache[23+apont]=(t_rotation >> 16) & 0xff;

pCache[24+apont]=(t_rotation >> 8) & 0xff;

pCache[25+apont]=(t_rotation) &0xff;

pCache[26+apont]=(t_absolute >> 16) & 0xff;

pCache[27+apont]=(t_absolute >> 8) & 0xff;

pCache[28+apont]=(t_absolute) &0xff;

apont+=29; //avança o apontador para que no próximo loop não haja

//sobreposição

//verificar se a cache ainda tem espaço para mais uma gravação completa.

//Se não, então gravar para o cartão.

if (apont+29>num_bytes_bloco)


//escrita para cartao SD

// write a num_bytes_bloco byte block

tw = millis();

if (!card.writeData(pCache))

erro=3;

error("writeData");

tw = millis() - tw;

// check for max write time

if (tw > maxWriteTime)

maxWriteTime = tw;

numWrites++;

//fim da escrita

apont=0;

//verificação de capacidade restante no ficheiro

if (numWrites > BLOCK_COUNT-2)

#ifdef DEBUG

Serial.println("Atencao: o ficheiro de dados atingiu o limite da

capacidade!");

Serial.print("Capacidade actual: ");

Serial.print(BLOCK_COUNT);

Serial.println(" blocos");

Serial.println("A sessao sera terminada");

#endif

state=LOW;

finish=HIGH;

//if

//if ((state==HIGH) && (inicio==1))

else

A.1. ARDUINO 79

if (finish == HIGH)

//escreve o que ainda está na cache mesmo que não tenha 512 bytes

tw = millis();


erro=3;

error("writeData");

tw = millis() - tw;

// check for max write time

if (tw > maxWriteTime)

maxWriteTime = tw;

//if

numWrites++;

// total write time

t = millis() - t;

// clear the cache and use it as a num_bytes_bloco byte buffer

memset(pCache, ’ ’, num_bytes_bloco);

//write stats to memory buffer

pCache[0]=0xff;

pCache[1]=0xff;

pCache[2]=0x40;

pCache[3]=0xff;

pCache[4]=0xff;

pCache[5]=(numWrites >> 40) & 0xff;





pCache[10]=(numWrites) &0xff;

pCache[11]=0xff;

pCache[12]=(t >> 40) & 0xff;


pCache[13]=(t >> 32) & 0xff;

pCache[14]=(t >> 24) & 0xff;

pCache[15]=(t >> 16) & 0xff;

pCache[16]=(t >> 8) & 0xff;

pCache[17]=(t) &0xff;

pCache[18]=0xff;

pCache[19]=(maxWriteTime >> 24) & 0xff;



pCache[22]=(maxWriteTime) &0xff;

pCache[23]=0xff;

pCache[24]=0xff;

pCache[25]=0x40;

pCache[26]=0xff;

pCache[27]=0xff;

//write session statistical data to the SD card


erro=3;

error("writeData");

// end multiple block write mode

if (!card.writeStop())

erro=3;

error("writeStop");

// close files

root.close();

file.close();

#ifdef DEBUG

Serial.println(" ");

Serial.println("Log Stop");


sprintf(str_num,"Numero de acessos: %lu ",numWrites);

A.1. ARDUINO 81

sprintf(str_t,"Duracao da sessao: %lu milisegundos ",t);

sprintf(str_max,"Tempo maximo de escrita: %d milisegundos\r\n",

maxWriteTime);

Serial.println(str_num);

Serial.println(str_t);

Serial.println(str_max);

Serial.println("done");

#endif

digitalWrite(Logled_on_off,state);

finish=LOW;

//if (finish == HIGH)

//else

void botao_on_off()

//debouncing the interrupt button

static unsigned long last_interrupt_time = 0;

unsigned long interrupt_time = millis();

// If interrupts comes faster than 500ms, assume it’s a bounce and ignore

if (interrupt_time - last_interrupt_time > 500)

state = !state;

if (state==HIGH)

#ifdef DEBUG


Serial.println("Log Start");

#endif

inicio=0;

digitalWrite(Logled_on_off,state);


else

finish=HIGH;

last_interrupt_time = interrupt_time;

void speed_sensor()

t_rotation=millis();

Apêndice B

Ensaios experimentais

B.1 Ensaio de calibração

Este ensaio foi realizado na sala do simulador de Engenharia Aeroespacial, na cave do pavilhão

de mecânica III do Instituto Superior Técnico em Lisboa.

De forma a explicitar o equipamento utilizado apresentam-se as seguintes listas e imagens da

montagem experimental.

• Acelerómetro

– Modelo: ADXL335

– Fabricante: Analog Devices

– Alimentação: 3.3 V

• Acelerómetro

– Modelo: 4310A-1-A

– Fabricante: Systron Donner

– Alimentação: +15/-15 V

• Multímetro Digital

– Modelo: 34401A

– Fabricante: Hewlett Packard

83

84 APÊNDICE B. ENSAIOS EXPERIMENTAIS

• Multímetro Digital

– Modelo: 77

– Fabricante: Fluke

• Fonte de alimentação DC

– Modelo: GPC-3020D

– Fabricante: GW

• Fonte de alimentação DC

– Modelo: TSX3510

– Fabricante: Thurlby Thandar Instruments

• Inclinómetro

– Modelo: DP60

– Fabricante: Lucas Sensing Systems Inc.

Figura B.35: Vista geral da montagem experimental utilizada para fazer a calibração dos acelerómetros

B.1. ENSAIO DE CALIBRAÇÃO 85

Figura B.36: Vista de pormenor dos acelerómetros fixos numa placa rígida para garantir que estão nomesmo plano

Figura B.37: Inclinómetro e acelerómetro de precisão, com multímetros e fonte de alimentação ao fundo

86 APÊNDICE B. ENSAIOS EXPERIMENTAIS

Figura B.38: Acelerómetro de precisão e Inclinómetro durante a verificação do bom funcionamento doacelerómetro

Figura B.39: Vista geral do ensaio de calibração do ADXL335 em funcionamento com o Arduino com oacelerómetro de precisão

Apêndice C

Documentação Técnica

Neste capítulo do anexo, apresentam-se os esquemáticos para o módulo de aquisição de

dados desenvolvido, assim como fotografias dos vários sensores e sistemas criados.

C.1 Placa de Prototipagem - Protoshield

Esta placa foi concebida a pensar numa integração com o Arduino Mega de maneira a tornar as

ligações eléctricas mais resistentes, menos ruidosas e, acima de tudo, simplifica-las. Na parte

inferior possui todas as ligações necessárias para prolongar todos os pinos para a parte superior.

Permite soldar directamente alguns cabos nos pinos desejados, fortalecendo assim a ligação.

A sua base, com uma grelha de furação uniforme e preparada para solda convida a utilização

de conectores e assim facilitar ainda mais a sua integração em diferentes projectos, como se

pode ver na figura C.40 e no esquemático eléctrico da figuraC.41. Tem a grande vantagem que

na necessidade de utilização do Arduino para outros fins, basta separa-la do mesmo e está

imediatamente pronto para novas ligações.

Figura C.40: Vista de topo da placa de prototipagem que permite fazer as ligações sem danificar oulimitar o Arduino

87

88 APÊNDICE C. DOCUMENTAÇÃO TÉCNICA

Figura C.41: Esquema eléctrico do Protoshield onde se podem ver as fichas montadas e polaridade dasmesmas assim como divisores de tensão e restante electrónica.

C.2. SISTEMA FINAL 89

C.2 Sistema final

Como forma de proteger todos os sistema desenvolvidos, foi criada uma caixa onde foram

feitas as ligações para comunicação com o exterior com fichas metálicas mais resistentes. Foi

incluído um botão para ligar o sistema e outro para despoletar o início da aquisição de dados,

assim como três LEDs de controlo. As ligações eléctricas para o conjunto da figura C.42 estão

esquematizadas na figura C.43.

Figura C.42: Vista geral da caixa onde foram inseridos os sistemas de aquisição e armazenamento dedados baseados em Arduino.

Por fim, apresentam-se na figura C.44 a placa de aquisição de dados. Destaca-se a sua

reduzida dimensão e capacidade de alimentação apenas por USB, característica inédita no

equipamento disponível no IST. A ligação aos extensómetros é feita com recurso a um cabo

com dez condutores e ficha RJ50.


Figura C.43: Esquema eléctrico das ligações entre o protoshield e o exterior da caixa

C.3. IMAGENS DOS COMPONENTES UTILIZADOS 91

Figura C.44: Fotografia da placa fabricada pela National Instruments utilizada para fazer a aquisição dedados em extensómetria.

C.3 Imagens dos componentes utilizados

Figura C.45: Acelerómetro ADXL335 (Fonte: Sparkfun)


Figura C.46: Módulo de cartões SD (Fonte: Sparkfun)

Figura C.47: Encoder e velocímetro (Fonte: Sparkfun)

C.3. IMAGENS DOS COMPONENTES UTILIZADOS 93

Figura C.48: Arduino Mega (Fonte: Sparkfun)

projecto e avaliação operacional de uma estrutura

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