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iii
TERMO DE APROVAÇÃO
CLEVERSON EDUARDO UMEZAKI
AVG – VEÍCULO AUTO-GUIADO
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de
Engenharia da Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte
banca examinadora:
Prof. Laerte Davi Cleto
Prof. Adriana Cursino Thomé
Prof. José Carlos Cunha
Curitiba, 08 de Novembro de 2004
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por me proporcionar à vida e a saúde
necessária para que eu possa realizar mais uma etapa da minha vida.
Agradeço a minha mãe e minha tia que sempre estavam por perto para
poderem me auxiliar nas horas mais difíceis. Agradeço ao meu pai que mesmo
estando tão longe pode me proporcionar este curso de graduação e sempre me
incentivou, me motivando a nunca desistir de meus objetivos e nunca desviar
do meu caminho. Agradeço a minha namorada, fiel companheira, que só ela
fez por mim o que ninguém mais poderia ter feito.
v
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO ................................................................................................... 12
2.DESCRIÇÃO ...................................................................................................... 14
2.1. Módulo Servidor ............................................................................................. 16
2.2. Módulo de Transmissão/Recepção ................................................................ 16
2.3. Módulo Veículo Auto-Guiado ......................................................................... 17
3.ESTUDO TEÓRICO ........................................................................................... 18
3.1. Transmissão e Recepção de Radiofreqüência ............................................... 18
3.2. Sensor LDR .................................................................................................... 18
3.3. Sensores Magnéticos ..................................................................................... 20
4.ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE .................................................................. 22
4.1. Transmissor RT e Receptor RR ..................................................................... 22
4.2. Codificadores e Decodificadores .................................................................... 22
4.3. Microprocessador 8951 .................................................................................. 23
4.4. Sensores ........................................................................................................ 23
4.5. Diagrama em blocos do sistema .................................................................... 24
5.ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE ................................................................... 26
5.1. Firmware ........................................................................................................ 26
5.2. Controle dos caminhos................................................................................... 26
5.3. Diagrama em blocos do sistema .................................................................... 27
6.ESPECIFICAÇÃO E VALIDAÇÃO DO PROJETO ............................................. 28
7.PROJETO DE HARDWARE ............................................................................... 29
7.1. Projeto de Hardware do Veículo Auto Guiado ................................................ 29
7.1.1.Microcontrolador 8951 .................................................................................. 29
7.1.2.Circuito Receptor .......................................................................................... 30
7.1.3.Circuito Ldr1 e Ldr2 ...................................................................................... 32
7.1.4.Circuito Ldr3 ................................................................................................. 33
7.1.5.Circuito Transmissor..................................................................................... 34
7.1.6.Circuito dos Motores .................................................................................... 35
7.1.7.Sensor Magnético ........................................................................................ 37
7.2. Projeto do Transmissor e Receptor ................................................................ 38
vi
7.3. Projeto de Firmware ....................................................................................... 38
7.4. Projeto de software ........................................................................................ 41
7.4.1.Algoritmo de menor caminho ........................................................................ 41
7.4.2.Interface com o usuário ................................................................................ 42
8.IMPLEMENTAÇÃO ............................................................................................ 43
8.1. Veículo auto-Guiado ...................................................................................... 43
8.2. Transmissor/Receptor .................................................................................... 44
8.3. Motores .......................................................................................................... 45
8.4. Microcontrolador 8951.................................................................................... 45
9.TESTES DE IMPLEMENTAÇÃO ....................................................................... 47
9.1. Teste Veículo Auto-Guiado ............................................................................ 47
9.2. Teste Ponto de Referência ............................................................................. 47
9.3. Teste de transmissão via Radiofreqüência .................................................... 47
10. CONCLUSÃO ................................................................................................ 49
11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 50
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Trajetória definida e identificações de pontos de referência. ............ 14
Figura 2 – Módulos utilizados. ................................................................................... 15
Figura 3 – Sensor magnético. .................................................................................... 20
Figura 4 – Posicionamento dos sensores com perfil inferior. ............................... 24
Figura 5 – Módulo de comunicação PC-Transmissor-Receptor .......................... 24
Figura 6 – Módulo AGV – Veículo Auto-Guiado ..................................................... 25
Figura 7 – Módulo Software ...................................................................................... 27
Figura 8 – Pinagem conectada ao kit 8031. ............................................................ 30
Figura 9 – Esquemático do Receptor. ...................................................................... 31
Figura 10 – Circuito Ldr1 e Ldr2 acionado pela Luz. ............................................. 32
Figura 11 – Colocação dos sensores. ...................................................................... 33
Figura 12 – Mudança de direção para direita. ........................................................ 33
Figura 13 – Circuito Ldr3 acionado pela sombra.................................................... 34
Figura 14 – Esquemático do circuito transmissor. ................................................. 35
Figura 15 – Ponte H, Q1 e Q3 conduzindo. ............................................................ 36
Figura 16 – Ponte H, Q2 e Q4 conduzindo. ............................................................ 36
Figura 17 – Circuito utilizando Ponte “H”. ................................................................ 37
Figura 18 – Sensor Magnético. ................................................................................. 38
Figura 19 – Fluxograma do sistema. ........................................................................ 40
Figura 20– Interface com o usuário. ......................................................................... 42
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Valores de freqüência de oscilação. ..................................................... 31
Tabela 2 – Descrição dos sensores e ação do veículo. ........................................ 35
Tabela 3 – Descrição de ação dos motores. ........................................................... 37
ix
LISTA DE ANEXOS
Anexo I – Diagrama esquemático do circuito do veículo...................................51
x
RESUMO
Este trabalho descreve a implementação de um veículo auto-guiado
controlado via radiofreqüência por um computador remoto. A meta é fazer com
que o veículo se locomova de forma independente, guiado por uma marcação
com fita preta sob o solo, estabelecendo uma trajetória entre pontos de partida
e de chegada, fornecidos pelo usuário. Veículos auto-guiados são utilizados
para transporte de equipamentos dentro de uma empresa sem a necessidade
de um operador para este veículo. O veículo navega em caminhos previamente
definidos. A transmissão e recepção de dados, através de radiofreqüência, é
necessária para troca de informações sobre localização, do veículo para o
computador e a tomada de decisões sobre a rota a ser tomada do computador
para o veículo. Um software de grafos e nós, um algoritmo de menor caminho,
determinam a inteligência artificial do sistema, fornecidos através do
computador remoto.
xi
ABSTRACT
This work describes the implementation of a auto-guided vehicle
controlled by radio frequency from a remote computer. The goal is to achieve
that the vehicle moves in an independent form, guided for a marking with black
ribbon on the ground, establishing a trajectory between start and finish points,
defined by the user. Auto-guided vehicles are used for equipment transport
inside of a company without the necessity of an operator for this vehicle. The
vehicle sails in previously definite way. The transmission and reception of data
through radio frequency are necessary for exchange of information on
localization the vehicle to the computer and the taking of decisions on the route
to be taken by the computer for the vehicle. An algorithm of shortest path and
alternative route run in the remote computer determine the artificial intelligence
of the system.
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1. INTRODUÇÃO
O interesse no processo de auto-guiar um veículo pode ser encontrado
desde a criação dos veículos. Esse interesse deve-se ao constante avanço dos
sistemas de produção, entretenimento e transporte que possuem algum tipo de
automação e com a evolução de sistemas de controle baseados em
computadores.
O sistema de auto-guiar um veículo pode ser implementado, utilizando
uma larga gama de sensores existentes atualmente, dentre eles, sensores de
Ultra-som, infra-vermelho, câmeras de vídeo e GPS, porém ainda existe a
possibilidade de encontrar novas formas de implementar um solução para
determinar uma navegação com maior eficiência [1].
Os fatores preço do sistema e custos de mudança e manutenção ainda
são fatores decisivos para implementação de um sistema auto-guiado. Para
executar uma mudança de trajetória o sistema deve se comportar de maneira
genérica. Desta forma será possível criar um sistema com baixo custo para
alterações e manutenções.
A maior parte dos veículos auto-guiados ainda é feita sob encomenda,
projetados e definidos de acordo com as especificações de cada empresa.
Existem diversos projetos de auto-guiar veículos sendo implantados,
porém ainda existe grande dificuldade em identificar a localização do veículo
para uma navegação precisa. Muitos destes projetos utilizam a navegação via
satélite (GPS) o que acaba aumentando o valor do projeto e inviabilizandoo
sistema para aplicações mais modestas.
A utilização de meios computacionais para resolver o problema de
localização, será essencial para a realização de um projeto eficiente, uma vez
que será necessária obter a localização correta do veículo para que seja
executada a próxima instrução do sistema.
O principal objetivo do projeto é desenvolver um mecanismo de
automação que poderá ser utilizado em empresas de pequeno e médio porte,
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para transporte e peças, correspondências e objetos em geral, entre setores e
uma empresa.
A principal dificuldade será em identificar uma trajetória para locomoção
do veículo, sendo que deverá ser coletado o maior número de informações
necessárias para uma navegação eficaz. A aplicação dos sensores adequados
para confrontar cada uma das informações fornecidas pelo mapa do trajeto é
de extrema importância.
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2. DESCRIÇÃO
O projeto a ser realizado é um sistema de auto-guiar um veículo,
baseado em trajetórias definidas e identificadas através de um fita preta fixada
ao solo.
Serão identificados, por meios de imãs, os pontos de referência para
localização do veículo dentro dos caminhos conforme mostra a Figura 1.
Figura 1 – Trajetória definida e identificações de pontos de referência.
Um servidor estático conterá o software que interage com o usuário.
Este por sua vez, irá identificar o ponto de início e o ponto final dentro da
trajetória, para após, ser processado o melhor caminho para percorrer o trajeto.
Definido o trajeto, serão enviadas as informações ao veículo através de
radiofreqüência. O veículo executará a ação de acordo com a trajetória definida
por meio do software em um servidor estático. Ao identificar um ponto de
15
referência o veículo envia essa informação apor meio de radiofreqüência para o
computador, que irá associar o ponto de referência à trajetória, atualiza a
informação e envia novos dados de ação ao veículo.
Para que o veículo possa se movimentar sem sair de sua rota, serão
utilizados 2 sensores LDR. O primeiro será o sensor central que estará
constantemente em contato com a fita preta, identificando e enviando as
informações para o microcontrolador. O segundo e terceiro, que estarão nas
extremidades direita e esquerda, serão utilizados para corrigir o veículo, caso
esteja saindo de sua trajetória permitindo alterar sua rota para direita ou
esquerda de acordo com as informações recebidas dos sensores.
Para a localização será utilizado um sensor magnético que irá identificar
os pontos de referências fixados ao solo.
O sistema é composto de 3 módulos distintos, conforme mostra a Figura
2:
Módulo Servidor;
Módulo de Transmissão/Recepção;
Módulo Veículo Auto-Guiado.
Figura 2 – Módulos utilizados.
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2.1. Módulo Servidor
É neste módulo onde estará implementado o software onde serão
tomadas todas as decisões de movimentação do veículo, enviando os dados
através de porta paralela, que serão transmitidas pelo transmissor. Informações
sobre a localização do veículo, que chegaram pelo receptor, também serão
recebidas através da porta paralela.
O software define os pontos de saída e de chegada do veículo. Após a
definição dos pontos inicial e final, um algoritmo define o melhor caminho,
identificando a rota que o veículo irá seguir.
2.2. Módulo de Transmissão/Recepção
Este módulo será responsável pela transmissão e recepção das
informações necessárias para o correto funcionamento do sistema. Estas
informações serão transmitidas através de radiofreqüência, sendo que deverão
ser utilizados, dois transmissores e dois receptores. Para que não haja colisão
de informações, já que ambas os transmissores funcionam em uma freqüência,
quando o transmissor do módulo envia dados para o servidor estático, ele
desabilita o receptor. O mesmo comportamento é realizado pelo módulo de
transmissão/recepção acoplado ao servidor estático.
O transmissor terá acoplado um codificador de dados necessário para
enviar os dados seriais para o transmissor. Já o receptor possui um
decodificador para disponibilizar os dados seriais em linhas de dados para que
estes possam ser disponíveis na porta paralela.
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2.3. Módulo Veículo Auto-Guiado
No veículo estará a maior quantidade de componentes para o
funcionamento do projeto. Estarão acoplados ao veículo 2 sensores LDR, 1
sensor magnético, 1 chave dipswitch, 1 microprocessador 8951, uma antena
receptora e transmissora de sinal, 2 motores DC, 2 rodas independentes e
baterias para alimentação dos circuitos.
Serão utilizados 2 motores para movimentação do veículo, a
implementação do veículo com 2 rodas somente, visa facilitar as manobras
realizadas pelo veículo dentro da rota que irá executar. Há uma rodas
independente que servem somente para apoio do veículo [2].
Para que haja uma troca de informações o veículo contará ainda com
um módulo de transmissão/recepção de dados, conforme descrito no item 2.2.,
que será necessário para que o veículo possa enviar as informações de
localização e para receber dados de controle do microprocessador.
O veículo será independente, quando estiver em movimento, para que
não desvie de sua rota e siga corretamente a fita fixada ao solo e dependerá de
comandos do software quando estiver sob um ponto de referência para
continuar o caminho.
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3. ESTUDO TEÓRICO
3.1. Transmissão e Recepção de Radiofreqüência
Para projetos de radiofreqüência, sempre imaginamos um transmissor
básico de FM. Para que seja possível a utilização deste transmissor deve-se
montar um receptor e este deve entregar o sinal recebido a um outro circuito
com filtros PLL. Estes circuitos possuem ajustes complexos. Um circuito
receptor deste tipo teria cinco regulagens no total, sendo uma no trimmer do
transmissor e mais quatro para PLL’s. Somando todas as regulagens teríamos
no total, dez regulagens, sendo cinco no transmissor, uma no trimmer do
receptor e mais quatro para os geradores de tom e cinco no receptor [3].
Toda e qualquer regulagem em radiofreqüência é sempre complexa,
todos os “corpos” próximos ao circuito podem atrapalhar uma boa regulagem.
Dependendo da região é grande o número de rádios comunitárias, legais e
piratas no espectro. A partir da complexidade em montar e regular um sistema
de transmissão e recepção de sinais de radiofreqüência será utilizado no
projeto um par de transmissor e receptor pronto, denominados RT e RR. O RT
é um transmissor e o RR um receptor.
Estes módulos não necessitam de nenhum tipo de regulagem, tendo uso
direto, podendo operar em freqüências entre 300 e 400MHz e o formato de
transmissão dos dados é digital.
3.2. Sensor LDR
Os LDR´s são dispositivos semicondutores que quando expostos à luz
aumentam sua condutividade. O comprimento de onda (l) da luz incidente
sobre o LDR tem influência sobre sua resistência - é a chamada Resposta
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Espectral. Os LDRs são como o olho humano, não apresentam a mesma
sensibilidade para as mesmas cores de luz.
O pico de sensibilidade do LDR ocorre aproximadamente em 5100
ângstron. Nessa faixa de comprimento de onda, a luz é vermelha-alaranjada.
Através desse gráfico, notamos ainda que o LDR é mais sensível do que o olho
humano, cobrindo uma faixa maior de comprimentos de onda, chegando a ser
sensibilizado mesmo pelo infra-vermelho, o que sugere algumas aplicações
interessantes para esse componente.
A variação da resistência de um LDR em função de uma variação de
iluminação não se dá instantaneamente. Se o componente for deslocado de
uma região de iluminação para uma região de escuro total, sua resistência não
aumentará instantaneamente, apresentando uma resposta, na prática, em
torno de 200K ohms/s.
Isso significa que, estando iluminado de modo a apresentar uma
resistência de 1000 ohms (1K), cortando-se essa luz o LDR demora cerca de 5
segundos para atingir a resistência de 1M ohms.
Passando o LDR do escuro total para uma região de certa iluminação,
verifica-se uma variação de resistência mais rápida, decrescendo com grande
velocidade (cerca de 10 ms para passar de 1M ohms para 1000 ohms).
Em geral, o tempo de resposta dos LDR´s de CdSe é cerca de dez
vezes menor que o tempo de resposta dos LDR´s de CdS.
A resistência máxima (no escuro) de um LDR deve ficar entre 1M ohms
e 10M ohms, dependendo do tipo, e a resistência sob iluminação ambiente
tipicamente fica entre 75 e 500 ohms.
Uma forma simples de se verificar essa característica dos LDRs é utilizar
um multímetro em escala de resistência (Rx100). Com o LDR iluminado, o
multímetro deve indicar a resistência mínima. Cobrindo-se o LDR, de modo que
nenhuma luz o atinja, sua resistência deve ser máxima (se necessário, utilize a
escala Rx1000 para notar essa variação).
O processo de construção de um LDR consiste na conexão do material
foto-sensível com os terminais, sendo que uma fina camada é simplesmente
exposta à incidência luminosa externa.
20
Conforme aumenta a intensidade de luz incidente no LDR, um número
maior de elétrons na estrutura tem também seu nível de energia aumentado,
devido à aquisição da energia entregue pelos fótons. O resultado é o aumento
de elétrons livres e elétrons fracamente presos ao núcleo. Conseqüentemente,
ocorre uma diminuição da resistência.
Uma característica importante do LDR é o fato da variação de sua
resistência frente a uma variação de iluminação independer do sentido de
percurso da corrente que por ele circula. Por isso, é perfeitamente possível o
seu emprego em corrente alternada.
Existem LDR´s para potências altas e tensões de trabalho tão elevadas
que podemos inclusive utilizá-los diretamente com a tensão da rede AC.
Por ser um elemento semicondutor, o LDR sofre também influência da
temperatura, sendo sua resistência decrescente com a elevação da mesma.
Os LDR´s mais comuns são os de 1 cm e 2,5 cm de diâmetro,
diferenciando-se principalmente pela sua capacidade de corrente, já que o LDR
com uma superfície maior, além de apresentar maior sensibilidade também
apresenta uma maior capacidade de dissipar calor, conseguindo controlar
correntes mais intensas. Um LDR de 2,5 cm, por exemplo, pode controlar
diretamente a corrente da bobina de um relé sensível, e até mesmas lâmpadas
de baixa potência.
3.3. Sensores Magnéticos
O tipo mais comum de sensor magnético é o interruptor de lâminas ou
reed-switch, observado na Figura 3.
Figura 3 – Sensor magnético.
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Esse sensor é formado por lâminas em um bulbo de vidro com um gás
inerte. O gás inerte é usado para prolongar a vida dos contatos evitando a
oxidação. Existem sensores com duas ou mais lâminas, conforme mostra a
mesma figura.
No tipo NA, normalmente aberta, as lâminas estão afastadas uma da
outra de modo a manter o circuito aberto.
Quando o campo magnético de um imã ou de uma bobina age sobre as
lâminas, magnetizando-as, aparece uma força de atração que une essas
lâminas fechando circuito em que o dispositivo está ligado [4].
Pode ser observado, na Figura 3, qual deve ser a orientação do campo
de imã para uma ação eficiente sobre um sensor de lâminas.
22
4. ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE
Este projeto contará com uma parte de hardware complexa necessária
para a funcionalidade do sistema. Será dividido em vários itens, que estarão
presentes em diferentes partes do sistema conforme descrição do projeto.
4.1. Transmissor RT e Receptor RR
Estes módulos farão a comunicação entre PC-Veículo, Veículo-PC
enviando e recebendo todas as informações necessárias para o funcionamento
do sistema. Não requerem nenhum tipo de regulagem, pois seu uso é direto, já
vêm regulados de fábrica. São preparados para operar em freqüências “altas”,
entre 300 e 400 MHz e o formato de transmissão e recepção dos dados é
digital.
O projeto irá utilizar uma comunicação bidirecional (full-duplex),
necessitando dois pares de transmissor e receptor, vide item 2.2. [3].
4.2. Codificadores e Decodificadores
O codificador tem como finalidade receber as informações necessárias
através de entrada de dados e enviar as informações serialmente para o
módulo transmissor.
O decodificador receberá as informações serialmente do receptor que
serão dispostos em linhas de dados.
Um ponto importante que deve ser tratado é o sincronismo. Para isso
serão utilizados CI’s que possuam redes de temporização formadas por
resistores e capacitores. Estas freqüências devem ser iguais. As freqüências
também serão responsáveis pela velocidade de transmissão e recepção dos
23
dados. É importante que esta esteja dentro da taxa máxima do sistema de
transmissão e recepção.[3]
4.3. Microprocessador 8951
O projeto utiliza um microprocessador 8951 que é composto por uma
memória RAM interna, além de uma EPROM também interna para conter o
software do 8951. Possui ainda um cristal de 11,0592MHz para gerar os pulsos
de clock necessários com o sinal, este microprocessador estará fixado ao
veículo e gerencia todas as funções realizadas no veículo [5].
Uma das funções do 8951 será a aquisição das informações dos
sensores LDR sobre o posicionamento do veículo sob a fita preta. Estas
informações serão tratadas pelo 8951 que corrigirá o curso do veículo, caso ele
saia de seu trajeto.
A informação do sensor magnético também será recebida pelo 8951 e
enviada para o codificador e posteriormente para o transmissor. Esta
informação será recebida por um receptor acoplado ao servidor estático, este
conterá um software que irá tratar a informação.
Os motores serão controlados também pelo 8951. Os motores são
independentes entre si e podem se movimentar nos dois sentidos, horário ou
anti-horário.
4.4. Sensores
O projeto utiliza 2 tipos de sensores para aquisição de informações
necessária para a localização do veículo e guia de navegação do veículo.
Os principais sensores utilizados serão os LDR´s que identificam o
caminho a ser seguido. O caminho é identificado pelos sensores, devido à
incidência de luz sobre a superfície. Essa incidência de luz sob a fita preta faz a
24
resistência do LDR aumentar, podendo ser diferenciada da incidência de luz
sob uma superfície clara.
O sensor que determina a localização do veículo será o magnético. Isso
pela praticidade na sua utilização e facilidade em implementar este tipo de
sensor.
A disposição dos sensores está representada na Figura 4.
Figura 4 – Posicionamento dos sensores com perfil inferior.
4.5. Diagrama em blocos do sistema
Figura 5 – Módulo de comunicação PC-Transmissor-Receptor
25
Figura 6 – Módulo AGV – Veículo Auto-Guiado
26
5. ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE
Este projeto contará com uma parte de software e firmware que será
descrita e dividida em itens mostrando sua funcionalidade.
5.1. Firmware
O sistema tem uma porcentagem de sua implementação gravada
diretamente na memória EPROM interna do microcontrolador. O
microcontrolador será utilizado para controlar todos os sensores, atuar
diretamente sobre os motores, receber informações do software através do
receptor e enviar dados do sensor magnético quando for necessário.
Os sinais dos sensores LDR´s serão utilizados para controlar a trajetória
do veículo em movimento, para que este não saia de sua rota. Para isso uma
lógica será empregada para que, de acordo com uma combinação de sinais
dos sensores, o sistema possa executar funções para ativar os motores e
conseqüentemente corrigir sua rota.
5.2. Controle dos caminhos
Para a implementação de controle para definição do caminho a ser
seguido pelo veículo, será utilizada a linguagem C++, onde serão
implementadas classes utilizando grafos e nós, facilitando a mudança de
algoritmos para busca do melhor caminho.
O software terá como entrada do usuário somente a informação de
INÍCIO e FIM do percurso a ser realizado pelo veículo. Estará disponível para o
usuário uma interface gráfica, com todos os pontos visíveis na tela, onde ele
poderá definir com maior facilidade os pontos de início e fim.
27
Para que uma estrutura seja implementada de maneira eficiente serão
utilizados grafos para definir cada ponto como um nó de referência do sistema,
de acordo com a Figura 1, mostrada anteriormente.
Após definição dos pontos, um algoritmo define o melhor caminho a ser
seguido e enquanto o veículo estiver executando o caminho enviará os sinais
necessários para o percurso do veículo.
5.3. Diagrama em blocos do sistema
Figura 7 – Módulo Software
28
6. ESPECIFICAÇÃO E VALIDAÇÃO DO PROJETO
Para validação do projeto, este deverá executar funções básicas para o
mínimo funcionamento do sistema, cada módulo será implementado
separadamente.
O módulo AGV – Veículo Auto-Guiado, poderá funcionar de modo
independente da transmissão e recepção de dados do software. Isso será
possível somente em um único percurso, onde o veículo irá se locomover até o
próximo ponto de referência. A princípio será montada uma pista contendo dois
nós, onde o veículo deverá sair do primeiro nó e chegar ao segundo nó sem
sair da marcação no solo e parar corretamente quando o sensor magnético
detectar o ponto de referência ou ponto de parada.
Os módulos de transmissão e recepção serão os pontos chaves para o
funcionamento integral do projeto. Para este módulo será utilizada a mesa de
teste digital, confirmando o correto envio e recepção de dados.
Após o funcionamento correto do módulo de transmissão e recepção,
será unido um módulo ao veículo e será testado em um percurso maior
contendo pelo menos três nós. Cada nó poderá ter ramificação. Será verificado
então se o veículo consegue rotacionar corretamente, quando estiver sob um
ponto de referência que se divide em diferentes rotas. Os sinais de controle
podem ser dados por uma mesa de teste digital.
Serão enviados sinais representando um sensor, gerando uma
interrupção ao software. Estas informações serão enviadas através Da porta
paralela, sendo tratadas e o resultado mostrado na tela. Será então verificado o
correto funcionamento dos algoritmos de melhor. Esse resultado pode definido
se o sistema em conjunto irá funcionar de maneira correta.
29
7. PROJETO DE HARDWARE
7.1. Projeto de Hardware do Veículo Auto Guiado
Será desenvolvido um sistema de hardware que estará no veículo para
que as funções de auto guia sejam satisfeitas. O sistema consistirá em um
microcontrolador 8951, um módulo de comunicação via radiofreqüência de
transmissão e recepção, sensores necessários para a locomoção do veículo e
o sistema de controle dos motores. No anexo I encontra-se o diagrama
esquemático completo do circuito do veículo.
7.1.1. Microcontrolador 8951
O microcontrolador dispõe de entradas externas para os timers (Timer 0
e Timer 1), entradas externas de interrupção (/INT0 e /INT1), pinos de RX e TX
para comunicação serial e pinos de /RD e /WR informando que operação está
sendo executada pelo microcontrolador (se escrita ou leitura na memória
externa).
Um cristal oscilador de 11,059MHz deve ser utilizado para que, quando
for utilizar o 8951 para comunicação serial, seja possível utilizar taxas de baud
rate entre 1200 e 19200 bits/s. Se for utilizado um cristal de 12MHz, a taxa de
transmissão possível será de 1200 ou, no máximo, 2400 bits/s [6].
O microcontrolador tem como função controlar os motores, envio de
dados do sensor magnético e do dip-switch à um transmissor acoplado no
veículo e receber os dados provenientes de um receptor também presente no
veículo.
Para que este controle de dados seja possível, serão ligados aos pinos
do PORT1, do microcontrolador: os dados de saída do decodificador presente
30
no circuito receptor; a saída do circuito do ldr1 e ldr2 que é ativado pela luz, ou
pela ausência de fita preta; a saída do circuito ldr3, que é ativado pela sombra,
ou ativado pela fita preta. Ao pino INT0, que é pino de interrupção externa, será
conectado o sensor magnético. Nos pinos do PORT2, serão conectados o
circuito transmissor e o circuito dos motores.
Figura 8 – Pinagem conectada ao kit 8031.
7.1.2. Circuito Receptor
O circuito receptor tem como função receber os dados enviados de um
transmissor conectado a um servidor estático, ambos operando na mesma
frequência. O CI RR recebe os dados digitais serialmente e os entrega ao
decodificador MC145027.
A freqüência de oscilação (que é feita por dois resistores e dois
capacitores) do decodificador é a mesma utilizada no transmissor [13] que
pode ser determinada a partir da tabela abaixo:
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f osc(KHz) RTC CTC RS R1 C1 R2 C2
362 10K 120pF 20K 10K 470pF 100K 910pF
181 10K 240pF 20K 10K 910pF 100K 1800pF
88,7 10K 490pF 20K 10K 2000pF 100K 3900pF
42,6 10K 1020pF 20K 10K 3900pF 100K 7500pF
21,5 10K 2020pF 20K 10K 8200pF 100K 0,015F
8,53 10K 5100pF 20K 10K 0,02F 200K 0,02F
1,71 50K 5100pF 100K 50K 0,02F 200K 0,1F
Tabela 1 – Valores de freqüência de oscilação.
Os valores de oscilação, são fornecidos pelo fabricante [7].
A decodificação do dado recebido é feita comparando a linha de
endereços configurada no circuito do decodificados, com os bits recebidos
referentes ao endereço configurado no circuito do codificador. O endereço
configurado deve ser o mesmo no decodificador e no codificador.
Após a comprovação do endereço os dados são dispostos nas linhas D6
a D9, como mostra a figura 9.
A figura 10 mostra o diagrama esquemático do circuito receptor.
Figura 9 – Esquemático do Receptor.
32
7.1.3. Circuito Ldr1 e Ldr2
O circuito Ldr1 e Ldr2 tem como função realizar o trajeto, dentro da
marcação com fita preta no solo, mantendo o veículo guiado.
Para que o veículo consiga identificar a marcação o circuito da figura 11
será implementado.
Figura 10 – Circuito Ldr1 e Ldr2 acionado pela Luz.
Serão utilizados: um sensor Ldr, um transistor, dois resistores e um
diodo. Quando ocorre a incidência de luz sobre o Ldr, determinada pela
ausência de fita preta, sua resistência diminui, fazendo com que o transistor
entre em condução, enviando o valor ao buffer que será disponibilizado na
saída que irá ao microcontrolador. O microcontrolador, por sua vez recebe o
dado e habilita o funcionamento do motor. Quando não há incidência de luz
sobre o Ldr o transistor entra em corte, fazendo que a entrada do buffer seja
“0”, determinada pelo resistor de 4,7K ligado ao terra, criando um “pull-down”.
Consequentemente o microcontrolador irá parar o funcionamento do motor [8].
Este circuito será implementado para cada um dos Ldr’s, onde a
colocação destes sensores é mostrada na figura 12, a fita preta estará entre os
Ldr’s, mantendo o veículo em sua trajetória.
33
Figura 11 – Colocação dos sensores.
7.1.4. Circuito Ldr3
O circuito do sensor Ldr3 será o inverso do circuito Ldr1 e Ldr2, sendo
acionado pela sombra ou presença de fita preta.
Este sensor será necessário para que o veículo possa realizar uma
mudança no rumo. Quando o veículo estiver em um ponto de referência, estará
com a frente apontada para uma direção, se for necessário uma mudança para
a direita, por exemplo, será utilizado este sensor para determinar quando o
veículo irá para de girar, como mostra a figura 13.
Figura 12 – Mudança de direção para direita.
O circuito do sistema Ldr3, controlado pela sombra é similar ao do Ldr1
e Ldr2. Quando há incidência de luz sobre o Ldr o transistor entra em corte,
fazendo o buffer receber o valor “0” determinado pelo resistor 4,7K ligado em
terra. Quando não há incidência de luz, determinado pela fita preta, o transistor
34
conduz, disponibilizando no buffer o nível “1” [8]. A figura 14 mostra o circuito
Ldr3.
Figura 13 – Circuito Ldr3 acionado pela sombra.
7.1.5. Circuito Transmissor
O circuito transmissor tem como função enviar os dados fornecidos pelo
microcontrolador a um receptor conectado a um servidor estático, ambos
operando na mesma frequência. O codificador MC145026 recebe os dados nas
linhas de D6 a D9 e disponibiliza dados digitais serialmente e os entrega ao
transmissor RT [3].
A freqüência de oscilação (que é feita por dois resistores e dois
capacitores) do decodificador é a mesma utilizada no receptor que pode ser
determinada a partir da tabela 1[13].
O transmissor irá enviar os dados necessários dos sensores ao receptor,
que transmite ao software para serem tratados. Os sensores são ativados pelo
nível lógico “0”. Os dados são determinados pelo microcontrolador e descritos
de acordo com a tabela 2, onde X o valor é irrelevante.
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P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 Descrição
0 1 X X Sensor Magnético Ativo
1 1 1 1 Frente
1 1 1 0 Direita
1 1 0 1 Esquerda
1 1 0 0 Trás
Tabela 2 – Descrição dos sensores e ação do veículo.
A figura 15 mostra o diagrama esquemático do circuito transmissor.
Figura 14 – Esquemático do circuito transmissor.
7.1.6. Circuito dos Motores
Para implementar um circuito capaz de inverter o sentido de circulação
numa carga usando apenas transistores e com fonte simples é a Ponte H. Pela
distribuição dos componentes lembra a letra “H”, temos uma ponte de controle
completa, pois há controle das correntes em dois ramos do circuito.
Quando os transistores estão sem sinal nas suas bases, nenhum deles
conduz e nenhuma corrente pode circular pela carga. Aplicando nas bases de
Q1 e Q3 uma tensão que os sature, estes transistores conduzirão e a corrente
circulará no sentido indicado na figura 16 [9].
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Figura 15 – Ponte H, Q1 e Q3 conduzindo.
Se a carga for um motor de corrente contínua, podemos dizer que ele
rodará no sentido direto.
Para inverter o sentido da circulação da corrente, bastará aplicar uma
tensão que polarize os transistores Q2 e Q4 levando-os ao corte. A corrente
circulará então no sentido indicado na figura 17 [9].
Figura 16 – Ponte H, Q2 e Q4 conduzindo.
Para este funcionamento é utilizado o CI SN754410, presente no projeto,
o CI contém quatro drivers internos que permitem controlar até quatro motores
em um único sentido ou dois motores nos dois sentidos.
A montagem completa utilizando o CI SN754410 está ilustrada na figura
18.
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Figura 17 – Circuito utilizando Ponte “H”.
A lógica combinacional empregada para o controle do microcontrolador
sobre o CI SN754410 é dada pela tabela 3.
P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 Descrição
1 0 1 0 Frente
0 1 1 0 Direita
1 0 0 1 Esquerda
0 0 0 0 Parado
Tabela 3 – Descrição de ação dos motores.
7.1.7. Sensor Magnético
O sensor será tratado pelo microcontrolador como interrupção do
sistema, pois sua implementação é fundamental no sistema para detecção do
ponto de referência, que é dada pelo sensor magnético [4].
O funcionamento do sensor magnético é direto, sendo que a conexão
será fechada quando for detectado um imã presente nos pontos de referência
do percurso. Sendo detectado o imã o sensor fecha o circuito enviando um
sinal ao microcontrolador. A figura 19 mostra como será conectado sensor ao
38
sistema, tendo uma tensão aplicada e sinal de saída ligada ao pino INT0 do
microcontrolador 8951.
Figura 18 – Sensor Magnético.
7.2. Projeto do Transmissor e Receptor
O projeto do módulo de transmissão e recepção utilizado para realizar a
comunicação com o computador é o mesmo utilizado no veículo. O módulo
receptor terá necessariamente que trabalhar na mesma freqüência que o
transmissor do veículo e a oscilação do decodificador também deverá ser a
mesma, isso serve para o módulo transmissor.
A diferenciação se dá ao fato de não haver conexão com o
microcontrolador e sim com a porta paralela do computador. O funcionamento
também é o mesmo empregado no módulo de transmissão e recepção do
veículo.
7.3. Projeto de Firmware
As principais funções do veículo serão gerenciadas pelo
microcontrolador e com isso será necessário empregar uma lógica para
controle dos recursos que serão utilizados no sistema.
O microcontrolador irá receber informações do módulo receptor, a partir
destas informações serão enviados sinais de controle aos dispositivos
acoplados ao veículo, como o controle dos motores, módulo transmissor e
ainda coletar as informações dos sensores.
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De acordo com estas informações, foi elaborado um fluxograma, como
mostra a figura 21, que determina as funções a serem executadas pelo
microcontrolador, de acordo com as entradas do sistema.
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Figura 19 – Fluxograma do sistema.
Inicio
Frente em Cruz.
Direita em Cruz.
Esquerda em Cruz.
Trás em Cruz.
Envia sinal “1010”
Envia sinal “0110”
Envia sinal “1001”
Envia sinal “0110”
Sensor Magné-
tico
Linha
Linha
Linha
Recebe Informação
Envia sinal “0110”
Linha
Envia sinal “0000” Tx “01XX”
Sim
Não
Sim Sim
Sim
Sim Sim
Sim
Sim
Não Não
Não Não
Não Não Não
Não
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7.4. Projeto de software
Para a implementação do sistema será utilizado o conceito de grafos e
nós. Um grafo consiste de um conjunto de objetos chamados de vértices (ou
nós), e um outro conjunto chamado de arestas (ou arcos). Uma aresta pode
também ser identificada pelo par de vértices a ela associada. Um grafo pode
também ser identificado por uma figura onde os vértices sejam designados por
pontos, e as arestas por linhas que interliguem os vértices a elas associados
[12].
7.4.1. Algoritmo de menor caminho
O software terá implementado um algoritmo que irá determinar o menor
caminho entre os pontos que o usuário informará como dados de entrada. Os
pontos são definidos como sendo ponto inicial e ponto final.
Cada vértice do sistema é representado por uma letra conforme mostra
a figura 1, presente na descrição do projeto.
O algoritmo implementado será o algoritmo de Dijkstra. Este algoritmo
determina o menor caminho entre dois pontos retornando o traçado realizado
para chegar ao ponto final [10].
Abaixo segue o algoritmo que determina a menor distância entre dois
vértices.
1- Designar para o nó inicial o valor zero e marcar este nó como nó
avaliado;
2- Identificar todos os nós não avaliados conectados a um nó avaliado;
3- Selecionar o nó que fornece a mínima soma obtida e marcá-lo. Este
nó terá um ponteiro para indicar de onde a mínima soma foi obtida. Se o
terminal ainda não está avaliado, retorne ao item 2.
4- A distância mínima do início ao final é o valor do nó final. A rota será
encontrada traçando backward do término ao início, seguindo os ponteiros [11].
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7.4.2. Interface com o usuário
Na interface com o usuário, terá na tela inicial o mapa dos caminhos
presentes. O usuário inicialmente entrará com os dados de inicio e fim do
percurso que deverá ser realizado, como mostra a figura 22.
Figura 20– Interface com o usuário.
Após entrada dos dados deverá ser executado, para que a menor rota
seja encontrada pelo algoritmo. A partir deste momento o usuário não entrará
com nenhum outro valor e não executará nenhum outro comando até que o
veículo chegue ao seu destino.
A medida que o veículo se locomove aparecerá na tela qual aresta esta
sendo percorrida pelo veículo.
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8. IMPLEMENTAÇÃO
Este projeto contará com a implementação de hardware, software e
firmware. Na implementação foram necessários alguns ajustes para o correto
funcionamento do sistema.
8.1. Veículo auto-Guiado
Inicialmente foram acoplados todos os componentes descritos no projeto
de hardware a uma placa de acrílico. Nesta placa de acrílico foram colocados
os motores e uma placa padrão contendo todos os componentes e suas
conexões. Os ldr´s foram posicionados de forma que a marcação da fita ficasse
entre os Ldr 1 e Ldr 2 conforme mostrado na Figura 12.
Em seguida o programa foi gravado na eprom do microcontrolador e o
8951 colocado em um socket apropriado para o encaixe no circuito.
O circuito do veículo foi alimentado com quatro baterias de 1,5v ligadas
em série.
Foram verificadas algumas necessidades de adaptação para que o
veículo não perdesse sua rota. Primeiro foi ajustado o valor do resistor do Ldr1
e Ldr2 para 14,7k. Este resistor é responsável pelo divisor resistivo conforme
mostrado na Figura 10 deste projeto. Foi necessário também utilizar uma fonte
de iluminação no próprio veículo, para que a incidência de luz sob uma
superfície clara e sob a fita preta fosse detectada pelos sensores ldr. Muitas
vezes em um ambiente com baixa luminosidade, os sensores ldr não
funcionavam da maneira esperada, prejudicando a guia do veículo. A
iluminação foi conseguida, adicionando a parte inferior do veículo dois led´s de
alta luminosidade.
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8.2. Transmissor/Receptor
Os circuitos de transmissão e recepção foram montados primeiramente
em protoboard. Os quatro bits de dados necessários para a transmissão foram
ligados a uma mesa digital e os quatro bits do receptor ligados a led´s. Em
seguida foi realizada uma contagem binária para verificar se todos o bits seriam
transmitidos e recebidos corretamente, o que confirmou o funcionamento da
transmissão e recepção de dados.
Após o funcionamento em protoboard os circuitos de transmissão e
recepção foram montados na placa do veículo auto-guiado. Utilizando o
microcontrolador e o módulo conectado ao Pc, foi verificado que após uma
instrução do microcontrolador, o programa conseguia identificar o dado
enviado, mostrando na tela uma mensagem.
O projeto conta com dois módulos de transmissão e recepção, sendo um
módulo no veículo e outro conectado ao servidor estático através da porta
paralela. Para a comunicação full duplex foram utilizados dois pares de
transmissores e receptores em freqüências diferentes, isso para que não
ocorrer conflito de informações durante a transmissão de dados.
Devido a problemas na aquisição de módulos em diferentes freqüências
foram utilizados dois módulos na mesma freqüência. Para isso foi necessário
adaptar o projeto. Primeiro foi conectada a alimentação do transmissor do
veículo a um buffer, este controlado pelo P1.0 do microcontrolador. O segundo
ajuste foi feito no módulo transmissor conectado ao servidor estático, onde uma
nova linha de dado da porta paralela, que opera em nível TTL, foi conectada
na alimentação deste transmissor. Após estas alterações de hardware o
controle de habilitação para a transmissão de dados era realizada via software,
no módulo Tx/Rx conectado no servidor estático e via firmware no veículo auto-
guiado.
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8.3. Motores
O CI754410, presente neste projeto realiza o controle de até dois
motores de corrente contínua. Após a primeira montagem do circuito
controlador dos motores o funcionamento foi direto, sem ser necessário realizar
ajustes.
Na montagem dos motores no veículo foi verificado que o CI 754410
possui duas entradas de alimentação, uma de 5v do CI e outra que alimenta os
motores. A principio foi utilizada somente uma fonte com quatro pilhas de 1,5v
ligadas em série para todo o circuito do veículo auto-guiado o que incluía os
motores, porém viu-se necessário readequar a alimentação deste circuito, uma
vez que os motores consumiam muita energia. A autonomia do veículo
diminuía consideravelmente utilizando somente uma fonte de alimentação,
então foi conectado diretamente ao CI 754410 outra fonte com quatro pilhas.
Com isso o veículo ficou mais ágil aumentando a autonomia e com maior
velocidade no deslocamento.
8.4. Microcontrolador 8951
O projeto conta com um microcontrolador 8951. No inicio do projeto foi
especificado que seria utilizado um Kit 8031, este kit estaria no veículo e sua
função seria o controle executado pelo 8951. Alguns problemas foram
identificados na utilização Kit 8031.
O primeiro problema detectado foi o tamanho físico de kit 8031 que
mede aproximadamente 15cm X 8cm e acabaria aumentando o tamanho e o
peso do veículo. No projeto não é utilizada Ram para armazenar informações e
os componentes do kit 8031 para comunicação serial também não são
utilizados. Com isso o microcontrolador 8951 foi incorporado ao projeto, pois
possui eprom e ram interna e sua funcionalidade é a mesma encontrada no
microcontrolador 8031 presente no Kit.
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Para a utilização das memórias internas o pino /EA foi setado para o
nível lógico “0” ou terra. Os Port0, Port1 e Port2 podem ser acessador a
qualquer momento sem necessitar de endereçamento e estão disponíveis para
entrada e saída do microcontrolador.
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9. TESTES DE IMPLEMENTAÇÃO
Este item descreve os testes realizados após a implementação do
sistema.
9.1. Teste Veículo Auto-Guiado
O primeiro item testado foi o guia do veículo, verificando se o veículo
seguia corretamente a marcação com fita preta sob uma superfície clara. A
partir deste primeiro teste foi realizado o ajuste de implementação. Utilizando a
iluminação e os novos resistores o veículo obteve um melhor desempenho para
detecção do caminho a ser percorrido.
9.2. Teste Ponto de Referência
Verificado o funcionamento da guia, foram posicionados os pontos de
referências. Os pontos são definidos como sendo os nós do percurso e em
cada nó deste percurso é colocado um imã. A função do imã e realizar uma
interrupção no pino /INT0 do microcontrolador fazendo o veículo parar.
O teste de parada no ponto de referência foi realizado com sucesso, o
veículo seguiu corretamente a marcação com fita preta e parou exatamente
sob o imã.
9.3. Teste de transmissão via Radiofreqüência
Enviar a informação de ponto de referência do veículo para o servidor
estático através de radiofreqüência. O programa foi ajustado para mostrar uma
mensagem na tela assim que o veículo chegasse no ponto de referência.
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O teste foi realizado e a mensagem no servidor foi mostrada no instante
que o veículo chegava no ponto de referência.
9. Testes de software
O software consiste na verificação do menor caminho e no envio de
informações através de radiofreqüência para o veículo.
Para realizar os testes de software foram criados dois campos na tela
inicial do sistema. Um campo chamado “Menor Rota”, mostra o resultado do
processamento do software para disponibilizar ao usuário os pontos que o
veículo irá passar.
Os valores foram colocados nos campos “Nó Inicial” e “Nó Final”, em
seguida o botão “Executar” foi pressionado para iniciar o processamento.
O primeiro teste mostrou o resultado em ordem crescente.
Ao receber a informação do veículo de ponto de referência o campo
“Posição” foi ajustado como o ponto de referência atual do veículo, sendo
mostrado ao usuário.
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10. CONCLUSÃO
O projeto de veículo auto-guiado controlado via radiofreqüência por um
servidor estático mostrou o funcionamento desejado.
O sistema de guia empregado neste projeto, utilizando uma faixa preta
como guia, mostrou-se bastante eficiência para que o veículo possa seguir um
trajeto se a necessidade de controle humano.
Alguns pontos deverão ser observados para a implementação deste
sistema. Primeiramente o local deverá ser corretamente construído, utilizando
terrenos planos, o local de deslocamento do veículo deverá ser amplo,
diminuindo assim problemas na locomoção do veículo.
A utilização de radiofreqüência foi interessante para deixar o sistema
ainda mais independente. Um servidor estático poderá ser colocado em
qualquer localização dentro da empresa e poderá ser manuseado por um ou
mais funcionários com facilidade.
As alterações de percursos podem ser realizadas apenas mudando
algumas configurações de sistema e remarcando os trajetos de forma simples,
seja elas com a fita preta ou tinta que são identificadas da mesma forma pelo
veículo.
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11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] http://www.aat-agv.com.br/introducao.asp
[2] REVISTA MECATRÔNICA FÁCIL. São Paulo, V.1, n.2, Janeiro, 2003.
[3] REVISTA MECATRÔNICA FÁCIL. São Paulo, V.5, n.15, Julho, 2004.
[4] REVISTA MECATRÔNICA FÁCIL. São Paulo, V.3, n.8, Julho, 2003.
[5] Scott MacKenzie. The 8051 Microcontroller. Prentice Hall, s.ed.,s.d.
[6] Herbert Taub; McGraw-Hill. Circuitos Digitais e Microprocessadores. São
Paulo, 1984.
[7] http://www.radiometrix.com
[8] REVISTA MECATRÔNICA FÁCIL. São Paulo, V.1 n.3, Fevereiro, 2003.
[9] REVISTA MECATRÔNICA FÁCIL. São Paulo, V.2, n.4 Março, 2003.
[10] Larson, R.C.; Odoni, A.R. Urban Operations Research, Prentice Hall, NJ,
1981.
[11] Boaventura, Paulo. Grafos: teoria, modelos e algoritmos. Edgard Blücher
Ltda
s.d.
[12] LOWSH, C.; HEIN, N. Pesquisa Operacional “Fundamentos e modelos”.
Editora Furb.
[13] REVISTA MECATRÔNICA FÁCIL. São Paulo, V.5, n.16, Julho, 2004.