CONTROLE DE TRAÇÃO E DIREÇÃO DE UM VEÍCULO AUTÔNOMO NÃO TRIPULADO

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1 UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS CURSO DE CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO BACHARELADO CONTROLE DE TRAÇÃO E DIREÇÃO DE UM VEÍCULO AUTÔNOMO NÃO TRIPULADO CARLA REAL AMORIM CARDOSO BLUMENAU /1-04

2 CARLA REAL AMORIM CARDOSO CONTROLE DE TRAÇÃO E DIREÇÃO DE UM VEÍCULO AUTÔNOMO NÃO TRIPULADO Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade Regional de Blumenau para a obtenção dos créditos na disciplina Trabalho de Conclusão de Curso II do curso de Ciências da Computação Bacharelado. Prof. Antônio Carlos Tavares - Orientador BLUMENAU /1-04

3 CONTROLE DE TRAÇÃO E DIREÇÃO DE UM VEÍCULO AUTÔNOMO NÃO TRIPULADO Por CARLA REAL AMORIM CARDOSO Trabalho aprovado para obtenção dos créditos na disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso II, pela banca examinadora formada por: Presidente: Membro: Membro: Prof. Antônio Carlos Tavares, Msc Orientador, FURB Prof. Mauro Marcelo Mattos, Dr FURB Prof. Miguel Alexandre Wisintainer, Msc FURB Blumenau, 04 de agosto de 2009

4 Dedico este trabalho a minha família, especialmente a meu filho. Dedico também aos amigos que me incentivaram nos momentos difíceis e foram de grande importância para que este trabalho chegasse ao fim.

5 AGRADECIMENTOS A Deus, que ouviu e atendeu muitas preces sempre e mais ainda nesse período de dedicação e estudo. À minha família que esteve sempre presente, principalmente a meu pai por ter confeccionado alguns dos sensores. Ao professor Miguel por toda disponibilidade, esforço e pelos milhares de protótipos que desenvolveu para ajudar. Ao meu orientador, Tavares, por toda paciência, pelos incentivos e ajuda em momentos de dificuldade. E por ter acreditado na conclusão deste trabalho. Ao Sr. Vieira da loja Proservice, que cedeu o carrinho e preparou grande parte das adaptações mecânicas necessárias. Obrigada por ter investido seu trabalho e tempo.

6 Seja a mudança que quer ver no mundo. Gandhi

7 RESUMO Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de computação embarcada que automatiza as funções mecânicas de um veículo elétrico disponibilizando comandos de software para sua locomoção. A implementação foi feita utilizando a linguagem Java e o controle dos motores conta com o microcontrolador PIC18F252. A comunicação entre o computador e os dispositivos é feita via USB através do CY7C63001A utilizando a biblioteca DelcomDLL.dll disponibilizada pela empresa Delcom Engineering. Palavras-chave: Navegação robótica. Engenharia de controle. Motor elétrico.

8 ABSTRACT This work presents the development of a computational embedded system to control the mechanics functions of an electric vehicle making available software commands for the movement. The implementation was done using the Java language and the engine control uses a PIC18F252 microcontroller. The USB communication between computer and devices uses a CY7C63001A with DelcomDLL.dll library released by Delcom Engineering Inc. Key-words: Robotic navigation. Control engineering. Electric engine.

9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Elementos básicos de um sistema em malha fechada...17 Quadro 1 Equação de controle proporcional...19 Quadro 2 Equação de controle integral...19 Quadro 3 Equação de controle derivativo...20 Figura 2 Pinos do microcontrolador DIP Quadro 4 Descrição dos pinos...22 Figura 3 Exemplo de chave óptica...25 Figura 4 Encoder rotativo...27 Figura 5 Encoder regular...27 Figura 6 Encoder regular defasado...28 Figura 7 Encoder absoluto...28 Figura 8 Funcionamento de um motor simples...29 Figura 9 Formato de onda PWM...30 Figura 10 Adaptação do veículo...34 Figura 11 Rosca da direção (rodas dianteiras)...34 Figura 12 Encoder...35 Figura 13 Esquema eletrônico...36 Figura 14 Esquema eletrônico...37 Figura 15 Diagrama de classes...38 Figura 16 Diagrama de atividades...39 Figura 17 Diagrama de sequência...40 Quadro 5 Classe de interface com a biblioteca DelcomDLL.dll...42 Quadro 6 Algoritmo de controle proporcional (P)...43 Quadro 7 Algoritmo de controle proporcional integral (PI)...44 Quadro 8 Algoritmo de controle proporcional derivativo (PD)...45 Quadro 9 Algoritmo de controle proporcional integral derivativo (PID)...46 Quadro 10 Algoritmo de decisão de parada...47 Figura 18 Tela principal...47 Quadro 11 Lista de comandos disponíveis...48 Figura 19 Roletes testes para testes de velocidade...48 Figura 20 Controle proporcional com ganho equivalente a 0,5 (P)...49

10 Figura 21 Controle proporcional com ganho equivalente a 1 (P)...49 Figura 22 Controle proporcional com ganho equivalente a 2 (P)...50 Figura 23 Controle proporcional e integral (PI)...50 Figura 24 Controle proporcional e derivativo (PD)...51 Figura 25 Controle proporcional, integral e derivativo (PID)...51 Figura 26 Teste de distância...52 Quadro 12 Explicação e protótipo das funções utilizadas da DelcomDLL.dll...58 Quadro 13 Funções de escrita...60 Quadro 14 Funções de escrita...61 Quadro 15 Funções de escrita...62 Quadro 16 Funções de leitura...63 Quadro 17 Funções de leitura...64

11 LISTA DE SIGLAS A/D Analógico/Digital ABS Anti Blocking System API Application Programming Interface CC Corrente Contínua DC - Direct Current DLL Dynamic Link Library EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-only Memory Gbps GigaBits Por Segundo Hz HertZ I2C - Inter-Intergrated Circuit JNA Java Native Access JNI Java Native Interface khz - KiloHertZ Mbps MegaBits Por Segundo P lei de controle Proporcional PD lei de controle Proporcional mais Derivativo PI lei de controle Proporcional mais Integral PID lei de controle Proporcional mais Integral mais Derivativo PWM Pulse Width Modulation RAM Random Access Memory RF Requisito Funcional RISC Reduced Instruction Set Computer RNF Requisito Não-Funcional

12 RPS Rotações Por Segundo TCS Torque Control System UML Unified Modeling Language USB Universal Serial Bus

13 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS DO TRABALHO ESTRUTURA DO TRABALHO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA SISTEMAS EMBARCADOS VEÍCULOS AUTOMATIZADOS EXISTENTES AUTOMAÇÃO E CONTROLE Controlador Leis de controle MICROCONTROLADORES DELCOM DRIVER USB USB SENSORES E ATUADORES MOTORES ELÉTRICOS PWM TRABALHOS CORRELATOS DESENVOLVIMENTO REQUISITOS PRINCIPAIS DO PROBLEMA A SER TRABALHADO ESPECIFICAÇÃO Especificação do veículo Especificação do hardware Especificação do software IMPLEMENTAÇÃO Técnicas e ferramentas utilizadas Operacionalidade da implementação RESULTADOS E DISCUSSÃO CONCLUSÕES EXTENSÕES...54 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...55 ANEXO A Funções do driver utilizadas...58 ANEXO B Formato do pacote de dados e estrutura do Delcom driver USB...59

14 13 1 INTRODUÇÃO A automação tem contribuído, em diversos setores da atividade humana, para a construção de equipamentos que visam conforto e facilidade para as pessoas. Nos anos 80, o desenvolvimento da tecnologia dos microprocessadores impulsionou o estudo de robôs móveis, abrindo um grande leque de possibilidades para a utilização de sistemas de computação embarcada (COCOTA JUNIOR, 2005, p. 38). Pesquisas em robótica móvel têm sido realizadas em busca de benefícios tais como segurança e redução de acidentes no trânsito, assistência a pessoas com dificuldades motoras, melhoria de processo em áreas como mineração, transporte de cargas, agricultura, exploração espacial, manuseio de materiais perigosos, etc. Já existem atualmente veículos com circuitos eletrônicos para controle de algumas de suas funções mecânicas, mas pode-se dizer que os veículos existentes ainda têm sua autonomia limitada, necessitando de comandos enviados a distância por seres humanos. A dificuldade para utilização de robôs móveis completamente autônomos reside no fato de que ambientes reais são desconhecidos e estão em constante mudança. Neste contexto desenvolveu-se um sistema de computação embarcada que automatiza as principais funções mecânicas de um veículo elétrico disponibilizando comandos de software para sua locomoção. Estes comandos servirão como base para que futuras pesquisas possam desenvolver módulos de controle inteligente que venham a conferir total autonomia ao veículo. O desenvolvimento deste trabalho implica na adaptação de um carro elétrico com o uso de microcontroladores e motores de corrente contínua. O software, que se integra com estes dispositivos, contêm algoritmos de controle num sistema de malha fechada com o intuito de verificar a margem de erro existente entre o verdadeiro movimento do veículo e a velocidade e direcionamento esperados. Esta verificação é realizada em tempo real e serve de orientação para ajustes no movimento. 1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO O objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema que controle os movimentos de um

15 14 veículo elétrico de forma autônoma, para que este possa receber comandos de algum outro software sem necessidade de intervenção humana. Os objetivos específicos do trabalho são: a) disponibilizar a estrutura de adaptação do veículo; b) desenvolver um software responsável pela tração e direção do veículo; c) calibrar o movimento esperado com o realizado; d) efetuar o controle em tempo real; e) disponibilizar uma lista documentada com os comandos automatizados para o veículo. 1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO O capítulo dois apresenta a fundamentação teórica necessária para o desenvolvimento do presente trabalho, estando estruturado da seguinte forma: Sistemas embarcados, Veículos automatizados existentes, Automação e controle, Microcontroladores, Delcom Driver USB, Sensores e atuadores, Motores elétricos e Trabalhos correlatos. No capítulo três são apresentados os principais requisitos do protótipo, a especificação da estrutura do veículo, do hardware e do software. Em seguida é apresentada a implementação, que abrange as técnicas e ferramentas utilizadas e a operacionalidade da implementação. Ao final deste capítulo são expostos os resultados e discussão. Por fim, o capítulo quatro apresenta as conclusões obtidas com o desenvolvimento deste trabalho e sugestões para sua extensão.

16 15 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste capítulo são apresentados alguns conceitos teóricos relacionados ao trabalho. São abordados os seguintes tópicos: Sistemas embarcados, Veículos automatizados existentes, Automação e controle, Microcontroladores, Delcom Driver USB, Sensores e atuadores e Motores elétricos. Por fim, são apresentados os trabalhos correlatos. 2.1 SISTEMAS EMBARCADOS Sistemas embarcados são sistemas de computação com propósitos específicos que geralmente utilizam microprocessadores e fazem parte de uma máquina ou de um sistema mais amplo. Seus requisitos incluem reação a eventos externos em tempo real, adaptação as restrições de tamanho e peso, aspectos de confiabilidade e segurança. Como exemplos de aplicação de sistemas embarcados, podem ser citados telefones celulares, equipamentos médicos especializados, alguns equipamentos de instrumentação e sistemas de controle automotivo (SILVA, 2001, p. 12). Nas últimas décadas, diversas soluções eletrônicas envolvendo sistemas embarcados vêm sendo desenvolvidas e implementadas nos veículos automotores agregando a esses, aspectos como segurança, conforto e estabilidade. Pode-se citar exemplos como freios Anti Blocking System (ABS) 1 e sistema de controle de torque (Torque Control System - TCS) 2, que atuam automaticamente, quando o veículo encontra-se em condições extremas, procurando minimizar, dessa forma, a ocorrência de acidentes (JUNG, 2005, p. 1366). Jung et al. (2005, p. 1365) explicam que os sistemas mecatrônicos embarcados consistem nos conjuntos eletromecânicos disponíveis num veículo, responsáveis por alguma função específica no seu funcionamento. Estes sistemas geralmente baseiam-se em informações internas e externas captadas através de sensores instalados no veículo com a finalidade de conhecer o seu estado e as condições do ambiente ao seu redor. Entre os sistemas embarcados mais conhecidos destacam-se o sistema de injeção de combustível, 1 Impede o bloqueio das rodas durante uma freada, evitando que o veículo derrape. (JUNG, 2005, p. 1366). 2 Sistema eletrônico de controle do torque realizado por cada uma das rodas de tração, que evita que a roda patine, garantindo, assim, a dinâmica do veículo em arrancadas e curvas. (JUNG. 2005, p.1367).

17 16 sistema de freio e de posicionamento angular da barra de direção. Jung et al. (2005, p. 1366) afirmam ainda que cada um destes subsistemas é controlado por uma unidade eletrônica, que se comunica com as outras através de uma rede. 2.2 VEÍCULOS AUTOMATIZADOS EXISTENTES Já existem no mundo vários veículos com funções autônomas e inteligentes que visam desde o apoio ao motorista até a realização de tarefas mais complexas. Entre eles estão modelos comerciais como o Segway (SEGWAY, 2009) e o Toyota Prius (GRABIANOWSKI, 2007). O Segway é um veículo elétrico com duas rodas paralelas dotado de auto-equilíbrio. Basta uma inclinação do corpo do condutor para que ele se movimente para frente ou para trás. Seu sistema embarcado possui uma tecnologia denominada estabilização dinâmica. Quando se desloca, cinco micro-giroscópios e dois acelerômetros estudam as mudanças no terreno e a posição do corpo do condutor, cem vezes por segundo. Esse equipamento utiliza duas baterias Li-ion, que lhe permitem uma autonomia de cerca de trinta e cinco quilômetros e uma velocidade máxima de 20 km/h. O Segway foi inventado pelo americano Dean Kamen que o apresentou publicamente em dezembro de É classificado como meio de transporte pessoal e sua utilização é direcionada para a mobilidade urbana (SEGWAY, 2009). O Prius é um carro vendido nos Estados Unidos que possui um módulo automatizado para estacionar. O assistente para estacionamento possui sensores ultra-sônicos para detectar veículos parados próximo a ele e poder estimar o tamanho da vaga, bem como selecionar a melhor posição de estacionamento para o motorista. O carro se move para entrar ou sair da vaga posicionando-se sem o auxílio do motorista (GRABIANOWSKI, 2007). Os sistemas apresentados acima baseiam-se em informações internas e externas ao veículo captadas através de sensores específicos. Porém nestes dois exemplos a presença do condutor ainda se faz necessária para complementar e fornecer informações adicionais sobre o ambiente.

18 AUTOMAÇÃO E CONTROLE A base do sistema de automação veicular é composta por soluções em controle de subsistemas eletromecânicos, muitas vezes invisíveis ao motorista, como por exemplo, os sistemas de controle da injeção eletrônica, do câmbio automático e da direção eletricamente assistida. (...) No topo da estrutura de controle encontram-se as soluções de computação aplicada em sistemas embarcados. (JUNG, 2005, p. 1374). Para Bolton (1995, p. 01) o termo sistema é usado para descrever uma série de componentes que interagem em torno de uma condição limite imaginária e somente a entrada e a saída são de interesse, ou seja, o aspecto importante de um sistema é a relação entre as entradas e as saídas. Um sistema pode ser chamado de sistema de controle quando sua saída é controlada para assumir um valor particular ou seguir uma determinada entrada. Um sistema em malha fechada é um sistema de controle que conhece por medição o valor real do sinal de saída e utiliza este valor para ajustar o sinal de entrada fazendo com que a saída fique com um valor cada vez mais próximo ao desejado. Ele é constituído por subsistemas básicos conforme pode ser visto na Figura 1. Uma característica necessária a esse tipo de sistema é a realimentação (BOLTON, 1995, p. 11). Fonte: adaptado de Bolton (1995, p. 11). Figura 1 Elementos básicos de um sistema em malha fechada

19 18 Realimentação é a forma pela qual o sinal relacionado com a situação real é retornado ao sistema para ser comparado com o sinal de referência. O sinal realimentado pode ser o próprio sinal de saída ou uma função do sinal de saída e suas derivadas (OGATA, 1993, p. 03). É também chamada de retroação e pode ser realizada sob forma contínua ou descontínua no tempo. O controle contínuo implica em uma resposta continuamente enviada de volta e comparada com o sinal de referência na entrada do sistema de controle. Em uma das formas do controle descontínuo, os sinais de referência e resposta são periodicamente amostrados e comparados. Este tipo é comumente chamado de sistema de controle a dados discretos ou sistema de controle discreto amostrado a malha fechada (D AZZO; HOUPIS, 1988, p. 06). De acordo com Ogata (1993, p. 03), nos sistemas de controle realimentados o sinal de erro atuante, que é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal realimentado, é introduzido no controlador de modo a reduzir o erro e trazer a saída do sistema a um valor desejado. O termo controle de malha fechada sempre implica o uso de ação de controle realimentado a fim de reduzir o erro do sistema. Uma vantagem deste tipo de controle é o fato de que o uso da realimentação torna a resposta do sistema relativamente insensível a distúrbios externos e variações internas nos parâmetros do sistema. É, portanto, possível usar componentes de baixo custo e sem muita precisão para obter o controle preciso de um determinado processo Controlador Os sistemas em malha fechada, conforme descrito acima, possuem um controlador do qual fazem parte o elemento de controle e o elemento de correção. O controlador tem como entrada o sinal de erro e gera uma saída que se torna a entrada para o elemento corretivo. O uso de um computador digital como um controlador em um sistema de controle realimentado apresenta vantagens sobre o controlador analógico porque variações na lei de controle de um controlador analógico implicam em variações de componentes físicos, enquanto variações na lei de controle em um controlador digital podem frequentemente ser obtidas por mudanças no software, isto é, mudanças em uma ou mais linhas de um programa (BOLTON, 1995, p. 435). Um computador digital requer a entrada de sinais na forma digital. Entretanto, a planta a ser controlada tem sinais analógicos, que variam continuamente com o tempo. Esses sinais devem ser convertidos para a forma digital. Para isso o sinal deve ser amostrado em intervalos, cada amostra sendo então convertida na forma digital. Assim sendo, o controlador digital pode ser descrito como um sistema de dados amostrados (BOLTON, 1995, p. 435).

20 19 Segundo Bolton (1995, p. 436), o processo de amostragem de dados é onde o conversor Analógico/Digital (A/D) amostra sinais analógicos. Geralmente, a amostragem ocorre em intervalos de tempo regulares. O elemento de amostragem percebe o valor do sinal por um curto período de tempo em cada período de amostragem e o ignora pelo resto do período Leis de controle De acordo com Bolton (1995, p. 340), a relação entre a saída e a entrada do controlador é chamada lei de controle. Controladores digitais podem ser usados para implementar os tipos de leis de controle usadas para controladores analógicos. Existem três formas desta lei: proporcional, integral e derivativa. No controle proporcional apresentado no Quadro 1, a saída do controlador é diretamente proporcional ao sinal de erro, que é a diferença entre a entrada e a realimentação. Neste caso a saída do controlador depende apenas da amplitude do erro no instante de tempo. O controlador é um amplificador com um ganho constante (BOLTON, 1995, p.340). Saída = Kp.e Kp constante de ganho proporcional e sinal de erro Fonte: adaptado de Bolton (1995, p. 340). Quadro 1 Equação de controle proporcional Note que, sendo um amplificador do sinal de erro, sempre tem que haver um erro para manter acionado o atuador. Isso limita a precisão do controle proporcional, que não consegue manter a variável controlada no valor desejado. Para o controle integral, a saída do controlador é proporcional à integral do sinal de erro com o tempo (BOLTON, 1995, p.344). A equação pode ser vista no Quadro 2. Ki constante de ganho integral integral entre 0 e t e sinal de erro Fonte: adaptado de Bolton (1995, p. 344). Quadro 2 Equação de controle integral

21 20 A integral entre 0 e t é o somatório dos produtos dos valores instantâneos da grandeza de entrada por pequenos intervalos de tempo, desde o instante inicial até o final. O que corresponde a área sob a curva do erro entre 0 e t. Assim quando aparece o sinal de erro, a área sob a curva aumenta em uma razão regular e a saída do controlador deve também aumentar em uma razão regular. A saída em qualquer instante de tempo é proporcional ao somatório dos resultados em instantes anteriores (BOLTON, 1995, p.344). De acordo com Ogata (1993, p. 149), a ação de controle integral é muitas vezes denominada controle de restabelecimento. No controle derivativo, a saída do controlador é proporcional à taxa de variação do erro com o tempo. Sua equação está disposta no Quadro 3. Kd constante de ganho derivativo e sinal de erro Fonte: adaptado de Bolton (1995, p. 352). Quadro 3 Equação de controle derivativo Assim que o sinal de erro aparece, a saída do controlador pode tornar-se grande, tendo em vista que a saída é proporcional à taxa de variação do sinal de erro e não ao erro propriamente dito. Entretanto, se for um erro constante (sem variações), não existe ação corretiva, mesmo que ele seja grande. Por ser insensível a sinais de erro constantes ou de variação lenta o controle derivativo não é usado sozinho, mas combinado com outras formas de controle (BOLTON, 1995, p. 352). Segundo Bolton (1995, p. 340), em alguns sistemas é necessário melhorar o desempenho do controlador, o que é conseguido introduzindo-se elementos adicionais chamados compensadores nos sistemas de controle. Essa alteração é chamada de compensação. Isso pode ser feito somando-se os métodos de controle. Se um controlador é puramente proporcional, então, por exemplo, um controlador proporcional mais integral é um controlador proporcional com um compensador integral (BOLTON, 1995, p. 367). É comum utilizar os controles somados, por exemplo, Proporcional mais Integral (conhecido como controlador PI), Proporcional mais Derivativo (PD) ou um controlador Proporcional mais Integral mais Derivativo (PID) também conhecido como controlador de três termos. Neste último a ação combinada possui as vantagens de cada uma das três ações de controle individuais (OGATA, 1993, p. 150).

22 MICROCONTROLADORES O controle digital por meio de microprocessadores e microcontroladores tem sido cada vez mais usado em sistemas de controle (BOLTON, 1995, p. 23). Os microcontroladores são componentes inteligentes que consistem em um circuito processador que possui entradas, saídas e uma memória (BRAGA, 2002, p. 02). Trata-se de dispositivos programáveis e que, portanto, não realizam tarefas sem a presença de um programa executado internamente (SOARES, 2004, p. 13). O que diferencia os diversos tipos de microcontroladores é sua capacidade de memória, a arquitetura, a velocidade e a alimentação (BRAGA, 2002, p. 03). A Microchip Technology possui uma linha de microcontroladores muito popular, denominada PIC. Os microcontroladores PIC foram os primeiros a utilizar as arquiteturas RISC e Harvard. O que lhes permitiu diferenciar-se de outros microcontroladores em relação a velocidade de trabalho (TAVERNIER, 1995, p. 02). RISC significa Reduced Instruction Set Computer e é uma arquitetura em que o microcontrolador trabalha utilizando poucas instruções básicas combinadas conforme a necessidade (BRAGA, 2002, p. 03). Na arquitetura Harvard a memória de dados e de programa estão em barramentos separados. Isso possibilita acessos concorrentes à memória de dados e à memória de programa, o que melhora a performance do dispositivo (MICROCHIP TECHNOLOGY, 2006). O PIC18F252 pertence a uma família de microcontroladores que possui instruções em código de máquina otimizadas para serem usadas com compiladores de linguagem C. Possui vinte e oito pinos e é composto de uma memória de programa com 32 kbytes, memória RAM com 1536 bytes e memória EEPROM interna com 256 bytes (MICROCHIP TECHNOLOGY, 2006). O CY7C63001A-PC, desenvolvido pela empresa Cypress Semiconductors Corporation, pertence a uma família de microcontroladores com suporte à comunicação USB. Possui vinte pinos, tem trinta e cinco instruções especificas para aplicações USB, 128 bytes de memória RAM e memória EEPROM interna com 4 kbytes. Assim como os microcontroladores PIC o CY7C63001A-PC também utiliza arquitetura Harvard (CYPRESS SEMICONDUCTORS CORPORATION, 2002).

23 DELCOM DRIVER USB A empresa Delcom Engineering comercializa microcontroladores previamente programados para facilitar aos desenvolvedores de software a conexão e controle de periféricos USB. Tais componentes são baseados nas famílias CY7C63xxx e CY7C637xx da Cypress Semiconductors e dão suporte à conectividade USB versão 1.1 (DELCOM ENGINEERING, 2007b, p. 03). São oferecidas as bibliotecas Delcomdll.dll em linguagens C e Visual Basic, exemplos nessas duas linguagens e alguns manuais, entre eles o USB I/O Data Sheet e o Delcom DLL Manual. Até o momento da conclusão deste trabalho não havia exemplos de utilização deste dispositivo em linguagem Java. A biblioteca serve para todos os produtos que utilizam o driver Delcom USB e pode ser usada em Windows 98, Windows ME, Windows 2000 e Windows XP (DELCOM ENGINEERING, 2007a, p.03 ). O microcontrolador CY7C63001A-PC também conhecido como USB I/O DIP20 possui vinte pinos conforme a Figura 2. A descrição desses pinos pode ser encontrada no Quadro 4. Fonte: Delcom Engineering (2007b, p. 03). Figura 2 Pinos do microcontrolador DIP20 Fonte: Delcom Engineering (2007b, p. 04). Quadro 4 Descrição dos pinos

24 23 O Delcom driver USB fornece comandos de entrada e saída de 8 bits assim como set e reset individual por pino. As funções utilizadas do driver, com seus respectivos protótipos estão no ANEXO A. No ANEXO B está uma parte do manual citando a estrutura packet e os comandos de dados. Uma das características desse componente é a comunicação I2C 3. A biblioteca DelcomDLL.dll para acesso ao driver foi escrita em linguagem C. Para utilizá-la junto à linguagem Java é necessária a utilização de APIs responsáveis pelo mapeamento dos tipos de variáveis e estruturas que diferem entre as duas linguagens. Com este objetivo podemos citar as APIs Java Native Interface (JNI) e Java Native Access (JNA). A JNI é um padrão de programação de interface para escrever métodos nativos Java e embutir a máquina virtual Java em aplicações nativas. O objetivo principal é a compatibilidade binária de bibliotecas de métodos nativos com as implementações da máquina virtual Java em uma determinada plataforma (SUN MICROSYSTEMS, 2003). A JNI possibilita que código Java rode na máquina virtual Java para interoperar com aplicações e bibliotecas escritas em outras linguagens de programação, tais como C, C++, e assembly. Os programadores podem escrever uma versão da aplicação nativa ou da biblioteca e esperar que funcione com todas as máquinas virtuais Java com suporte a JNI (SUN MICROSYSTEMS, 2003). A JNA fornece, para programas Java, acesso fácil a bibliotecas nativas (denominadas DLLs no Windows) sem ter que escrever nada além de código Java, ou seja não é necessário nenhum código JNI ou nativo. O acesso é dinâmico em tempo de execução e sem geração de código (JAVANET, 2007). A JNA possibilita chamadas diretas de funções nativas usando o formato padrão de chamadas de métodos em Java. Esta biblioteca usa um pequeno stub 4 da biblioteca nativa para invocar dinamicamente o código nativo. O desenvolvedor utiliza uma interface em Java para descrever as funções e estruturas da biblioteca nativa em questão. Isso facilita muito para se aproveitar características de plataformas nativas sem ter o trabalho de configurar e construir código JNI (JAVANET, 2007). 3 I2C (Inter-Intergrated Circuit) significa Circuito Inter-integrado e é um barramento serial desenvolvido pela Philips que é usado para conectar periféricos de baixa velocidade a uma placa mãe, a um sistema embarcado ou a um telefone celular (I2C, 2009). 4 Partes (fragmentos) de algoritmos que provêm a abstração de uma chamada (local) de procedimento (método) fazendo a ligação deste com o mecanismo de comunicação. O stub é parte do código que faz a chamada remota, é utilizado no cliente e no servidor (STUB, 2009).

25 USB USB é a sigla para Universal Serial Bus. Trata-se de uma tecnologia que simplificou a conexão de aparelhos como câmeras digitais, mouses, teclados, impressoras, entre outros ao computador, evitando assim o uso de um tipo específico de conector para cada dispositivo (ALECRIM, 2009). Antigamente, conectar dispositivos ao computador era uma tarefa difícil devido a grande variedade de cabos e conectores ou a ausência deles, no caso de ligações internas no computador. Baseando-se nessas situações, a indústria entendeu a necessidade de criar um padrão para facilitar a conexão de dispositivos ao computador. Dessa forma, em 1995, um conjunto de empresa formou um consórcio para estabelecer esse padrão. Surgia então o USB Implementers Fórum e pouco tempo depois as primeiras especificações comerciais do padrão que ficou conhecido como USB (ALECRIM, 2009). O USB oferece vantagens como: plug and play 5, alimentação elétrica, conexão de até 127 aparelhos ao mesmo tempo, ampla compatibilidade, Hot-swappable 6, possibilidade de utilizar cabos com até cinco metros de comprimento (ALECRIM, 2009). Segundo Alecrim (2009), a comunicação entre os dispositivos é feita através de um protocolo. Nele o computador ou o equipamento hospedeiro, que recebe as conexões, emite um sinal para encontrar os dispositivos conectados e estabelece um endereço para cada um deles. Uma vez estabelecida a comunicação, o hospedeiro recebe a informação de que tipo de conexão o dispositivo conectado utiliza. Assim como em outras tecnologias, o padrão USB passa periodicamente por revisões em suas especificações. A primeira versão que se tornou padrão foi a 1.1, lançada em setembro de Ela contém praticamente todas as características listadas acima, no entanto, sua velocidade de transmissão de dados nas conexões mais lentas é de até 1,5 Mbps. Porém, nas conexões mais rápidas, esse valor é de até 12 Mbps (ALECRIM, 2009). Para conexões mais rápidas, em abril de 2000 surgiu o USB 2.0, que é o padrão de mercado atualmente. Essa versão chegou ao mercado oferecendo a velocidade de 480 Mbps. O padrão de conexão continua sendo o mesmo da versão anterior e é compatível com os dispositivos USB 1.1. Mais uma vantagem em relação à versão 2.0 é que os fabricantes 5 Plug and Play refere-se a dispositivos que tem sua conexão com o computador pré-configurada. Basta conectar e utilizar. 6 Hot-swappable significa que os dispositivos em padrão USB podem ser conectados e desconectados a qualquer momento, sem necessidade de reiniciar o computador.

26 25 puderam adotar o padrão em seus produtos sem a obrigatoriedade de pagar licenças de uso da tecnologia. Apesar de todas as vantagens da versão 2.0, o padrão USB continua sendo revisado o que deu espaço ao USB 3.0. Essa versão teve suas especificações definidas no final do ano 2008 e promete velocidade de transmissão de até 4,8 Gbps (ALECRIM, 2009). 2.6 SENSORES E ATUADORES Sensores são dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle, e nos instrumentos de medição (RUEDA; SANTOS; RABELO, 2006). Dentro de um sistema controlado o sensor é um elemento de medida que converte a variável de saída em uma outra variável adequada ao sistema, tal como um deslocamento, uma pressão ou uma voltagem (OGATA, 1993, p. 146). De acordo com Braga (2008), os sensores fotoelétricos são encontrados em uma infinidade de formatos, indo desde simples elementos sensíveis à luz que operam com a iluminação ambiente, até as chaves ópticas que possuem suas próprias fontes de luz integradas. Estas últimas são extremamente rápidas e têm a vantagem de não utilizarem contatos mecânicos que podem desgastar-se e ainda apresentarem problemas de repiques (BRAGA, 2007). Uma chave óptica típica é um dispositivo em que existe uma fonte emissora, normalmente um LED infra-vermelho, e um receptor, geralmente um fototransistor, conforme mostra a Figura 3. O dispositivo é montado de tal forma que entre o emissor e o receptor existe uma fenda onde pode ser introduzido um objeto. A introdução desse objeto interrompe o feixe de radiação do emissor, provocando uma mudança de estado do circuito (BRAGA, 2007). Fonte: Braga (2007). Figura 3 Exemplo de chave óptica

27 26 Segundo Gonçalves (2003, p. 05), sensores ópticos podem ser usados para a construção de medidores de velocidade. Há dois tipos básicos de sensores ópticos: de reflexão e de interrupção de luz. Nos dois casos um disco com um furo é posicionado entre a fonte de luz e o receptor. Esse disco gira e a cada passagem pelo furo o feixe de luz é alterado (a luz passa pelo furo ou a reflexão é interrompida) e o sensor gera um pulso elétrico. A freqüência destes pulsos é igual à velocidade, em Rotações Por Segundo (RPS), nos dois tipos. As vantagens destes sensores são o menor tamanho e custo, a maior durabilidade e a leitura à distância. Costumam ser usados em sistemas de controle e tacômetros portáteis (GONÇALVES, 2003, p. 05). Sensores ópticos também podem ser usados na composição de encoders. Os encoders são transdutores de movimento capazes de converter movimentos lineares ou angulares em uma série de pulsos digitais elétricos que podem ser usados para determinar velocidade, taxa de aceleração, distância, rotação, posição ou direção (BRUSAMELLO, 2004, p. 04). Conforme Brusamello (2004, p. 04), encoders possuem internamente um ou mais discos perfurados denominados máscaras. Os furos na máscara, que permitem, ou não, a passagem de um feixe de luz infravermelha, gerado por um emissor que se encontra de um dos lados do disco e captado por um receptor que se encontra do outro lado do disco, este, com o apoio de um circuito eletrônico gera um pulso. Dessa forma a velocidade ou posicionamento é registrado contando-se o número de pulsos gerados. A principal diferença entre um encoder e um sensor óptico com um disco é que no primeiro os furos são colocados de forma que é possível identificar a posição e o sentido da rotação do motor. O princípio de funcionamento de um encoder rotativo pode ser visto na Figura 4. De acordo com Brusamello (2004, p. 06), há diferentes tipos de encoders usados para realimentação: encoder regular, encoder regular defasado e encoder absoluto.

28 27 Fonte: Brusamello (2004, p. 05). Figura 4 Encoder rotativo O encoder regular é apresentado na Figura 5. Ele é composto por um disco perfurado, um emissor de luz e um foto transistor. Nele a velocidade é determinada pela freqüência dos pulsos enquanto a quantidade de pulsos determina a posição (BRUSAMELLO, 2004, p. 06). Fonte: Brusamello (2004, p. 06). Figura 5 Encoder regular

29 28 Já o encoder regular defasado, Figura 6, possui os furos deslocados em duas filas para que o computador possa determinar também o sentido de rotação (BRUSAMELLO, 2004, p. 07). Fonte: Brusamello (2004, p. 07). Figura 6 Encoder regular defasado A Figura 7 mostra um encoder absoluto. Ele é diferente dos demais, pois possui vários sensores ópticos. Esses sensores são combinados entre si e geram um código que é capaz de identificar com precisão posição do disco (BRUSAMELLO, 2004, p. 07). Fonte: Brusamello (2004, p. 08). Figura 7 Encoder absoluto Além de encoders e sensores, os atuadores são elementos presentes em sistemas de malha fechada. Um atuador é um dispositivo que realiza ações atendendo a comandos gerados por um controlador. É chamado assim, pois atua diretamente no processo, modificando as condições do sistema (ATUADOR, 2009).

30 MOTORES ELÉTRICOS Um motor simples consiste de uma bobina que gira entre dois ímãs permanentes. Figura 8 (a) Os pólos magnéticos da bobina (representados como ímã) são atraídos pelos pólos opostos dos ímãs fixos. Figura 8 (b) A bobina gira para levar esses pólos magnéticos o mais perto possível um do outro mas, Figura 8 (c) ao chegar nessa posição o sentido da corrente é invertido e Figura 8 (d) agora os pólos que se defrontam se repelem, continuando a impulsionar o rotor. (FERRAZ NETTO, 2005). Fonte: Ferraz Netto (2005). Figura 8 Funcionamento de um motor simples Motores elétricos são atuadores encontrados nas mais variadas formas e tamanhos, cada qual apropriado a sua tarefa, dependendo de quanto torque ou potência precise desenvolver. Alguns deles operam com corrente contínua (CC / DC) e podem ser alimentados por pilhas, por baterias ou por fontes de alimentação (FERRAZ NETTO, 2005). Motores de corrente contínua geralmente são bidirecionais, ou seja, você pode operar o motor em uma direção, pará-lo, e alterar a direção (MCCOMB, 1987, P. 83). O sentido de rotação depende das assimetrias do motor e do sentido da corrente elétrica, invertendo-se o sentido da corrente o motor começará a girar em sentido contrário (FERRAZ NETTO, 2005). O rotor de um motor de corrente contínua gira com velocidade angular proporcional à tensão aplicada em suas bobinas. Em geral, ao colocar uma carga no motor, isto é ligá-lo a algo que deve ser movimentado, sua rotação não tende a variar muito, mas sim, aumenta a intensidade de corrente de alimentação. Para alterar a velocidade é necessário alterar a tensão aplicada ao motor (FERRAZ NETTO, 2005).

31 PWM Circuitos digitais só produzem dois valores: ligado e desligado. Já circuitos analógicos podem ter uma infinidade de variações. Por exemplo, em um circuito digital só podemos ligar ou desligar uma lâmpada, enquanto que em um circuito analógico podemos controlar em infinitos gradientes o brilho da lâmpada desde o seu estado total de apagamento até o seu brilho máximo (TORRES, 2005). PWM significa Pulse Width Modulation (modulação por largura de pulso) e é uma técnica utilizada para que um circuito digital, que só tem dois estados, possa controlar um circuito analógico que pode possuir uma infinidade de estados. Ou seja, o PWM é uma forma para conversão digital/analógico que utiliza apenas um bit. Nele é gerada uma forma de onda quadrada onde o tempo em que esta forma fica em alta define o valor da saída (TORRES, 2005). Esta técnica é a base para os mais populares circuitos de controle de velocidade. Repare na Figura 9 que a freqüência é sempre a mesma, o que se altera é o tempo em que o motor recebe tensão total (MCCOMB, 1987, p. 102). Fonte: Mccomb (1987, p. 104). Figura 9 Formato de onda PWM 2.8 TRABALHOS CORRELATOS Heinen (2002, p. 02) desenvolveu um sistema de controle para robôs móveis

32 31 autônomos, capaz de navegar em um ambiente dinâmico e adaptar-se a diferentes condições. O sistema utiliza inteligência artificial para calcular um plano até o objetivo, evitando colisões com obstáculos conhecidos, estáticos ou móveis e obstáculos imprevistos. Para localizar o robô, a ferramenta dispõe de módulos que monitoram o ambiente e adaptam o mapa ao perceber alguma alteração no ambiente. As estimativas de posição são dadas pelo módulo localizador que se baseia nas informações sensoriais e num mapa. O localizador é capaz de manter a estimativa da posição correta do robô no ambiente, da posição global ou detectar uma estimativa de posição incorreta e se relocalizar no ambiente. Este módulo possui um papel de destaque no sistema de controle para a navegação do robô móvel autônomo. Estevam (2003, p. 45) apresenta o protótipo de um veículo autônomo móvel capaz de encontrar sua trajetória a partir de imagens capturadas por uma câmera digital. O veículo consegue locomover-se de forma independente num ambiente estático e segue uma trajetória pré-definida por uma linha (técnica de line tracking). Para montagem do protótipo foi utilizado um suporte mecânico dotado de três rodas, sendo que as duas rodas traseiras são tracionadas de forma independente. A integração das partes mecânicas foi controlada por um microcontrolador pertencente a um kit de desenvolvimento programável. A empresa Toyota produz o automóvel Prius. De acordo com Griecco (2006), este carro é um modelo híbrido que trabalha com um motor a explosão e outro elétrico. Quem coordena a atuação dos dois motores é o Power Control Unit (PCU) ou unidade de controle de força, considerado o cérebro do carro. Menos poluente e com baixo consumo de combustível teve seu primeiro modelo lançado em Em setembro de 2003 a Toyota lançou para o Prius o primeiro sistema inteligente de assistência para estacionamento. Sua tecnologia dá suporte a operações de manobra para estacionar em vagas paralelas. Dois anos mais tarde este sistema foi complementado com uma câmera no pára-choque traseiro do automóvel para auxiliar o motorista a detectar veículos e obstáculos atrás do carro em um monitor colorido (TOYOTA MOTOR EUROPE, 2006). Atualmente, o assistente para estacionamento possui sensores ultra-sônicos para detectar veículos estacionados próximo ao Prius e poder estimar o tamanho da vaga, bem como selecionar a melhor posição de estacionamento para o motorista. O carro se move para entrar ou sair da vaga posicionando-se sem o auxílio do motorista (GRABIANOWSKI, 2007).

33 32 3 DESENVOLVIMENTO Este capítulo está dividido da seguinte forma: a) definição dos requisitos: detalha os requisitos funcionais e não funcionais do software; b) especificação: nesta seção são apresentadas a especificação do veículo, do hardware de adaptação e do software; c) implementação: esta seção aborda as técnicas e ferramentas utilizadas no desenvolvimento deste trabalho, assim como apresenta trechos do código fonte desenvolvido. Também é demonstrada a operacionalidade da implementação, através de um estudo de caso; d) resultados e discussões: ao fim são apresentadas as dificuldades e conquistas realizadas através do desenvolvimento deste projeto. 3.1 REQUISITOS PRINCIPAIS DO PROBLEMA A SER TRABALHADO Abaixo são detalhados os Requisitos Funcionais (RF) e Requisitos Não-Funcionais (RNF) do projeto. Os RF e RNF do software são: a) permitir a inclinação das rodas de acordo com um valor definido em graus (RF); b) permitir o deslocamento do veículo em dois sentidos, avanço e recuo (RF); c) implementar o controle em malha fechada da angulação da barra de direção (RF); d) implementar o controle em malha fechada da velocidade (RF); e) monitorar a distância percorrida (RF); f) monitorar a velocidade em tempo real (RF); g) permitir a entrada do valor desejado para a velocidade (RF); h) permitir a entrada do valor desejado para a direção (RF); i) parar o veículo em caso do comando não ser executado corretamente após ser enviado pela terceira vez, no caso da margem de erro ser acima da tolerância (RF); j) utilizar metros para a medida de distâncias (RNF); k) utilizar graus para a medida de inclinação (RNF);

34 33 l) utilizar metros por segundo (m/s) para a medida de velocidade (RNF); m) ser implementado em Java utilizando o ambiente Eclipse (RNF). 3.2 ESPECIFICAÇÃO O sistema disponibilizará comandos para que o veículo possa movimentar-se. Para questões de teste as informações de distância a percorrer, velocidade e inclinação das rodas serão solicitadas através de uma tela, porém a intenção é que esses comandos sejam utilizados por outros módulos que venham a integrar o software. O movimento de avanço e recuo se dará por dois motores elétricos de corrente contínua acoplados às rodas traseiras. Um terceiro motor acionará a rosca da direção no eixo dianteiro. As rodas possuem sensores para contagem de giros, para que o programa possa avaliar o movimento real que está sendo executado. Se houver desvio, acima da tolerância, do movimento desejado em relação à resposta mecânica o veículo pára. A cada novo comando o objetivo é recalculado para uma resposta ideal. O hardware foi especificado através da ferramenta Protel99. Para especificar o sistema foi utilizada a ferramenta Enterprise Architect, onde foram modelados os diagramas UML Especificação do veículo Para criação do protótipo foi utilizado um carro elétrico infantil. A Figura 10 mostra as partes que foram adaptadas para o controle do veículo.

35 34 Figura 10 Adaptação do veículo Foi escolhido um carro elétrico pela facilidade de adaptação para o trabalho proposto. Ele possui dois motores de corrente contínua que tracionam as rodas traseiras. Em cada pneu há um sensor para auxiliar na verificação de movimento, distância percorrida e velocidade. O eixo dianteiro recebeu uma rosca com um motor para os movimentos de inclinação das rodas. Essa rosca, ilustrada na Figura 11, também recebeu um sensor que irá auxiliar o programa a reconhecer o ângulo da inclinação. Figura 11 Rosca da direção (rodas dianteiras) O controle do veículo é feito pelo computador central através de dois dispositivos distintos: um para a tração (rodas traseiras) e outro para a direção (rodas dianteiras). A comunicação entre o computador central e os dispositivos é via USB. O hardware responsável pela tração comandará os motores de cada roda separadamente. Sua função é manter a velocidade correta, iniciar ou finalizar o movimento. Já a parte responsável pela direção deve apenas garantir a inclinação desejada. Esta placa também conta com sensores para verificação

36 35 do movimento das rodas que o programa poderá utilizar para confirmar a informação recebida pelos sensores das rodas traseiras. A Figura 12 apresenta o modelo dos sensores acoplados aos pneus. São discos perfurados produzidos com placas de polipropileno que é um material resistente e firme. Não há problema de desgaste desta peça, pois o disco não recebe pressão nem toca a chave óptica utilizada para leitura. Figura 12 Encoder Especificação do hardware O circuito eletrônico para especificação do hardware foi desenhado através da ferramenta Protel99. Ele é apresentado na Figura 13 e na Figura 14. Nestas figuras foram criadas duas marcações destacando os elementos de maior relevância para o projeto. Ao todo foram utilizadas duas placas com esta configuração. Este desenho derivou do esquema eletrônico do componente L298 da empresa STMicroelectronics. Esse componente foi substituído, pois não foi capaz de suportar a corrente de 19 Amperes exigida pelo projeto. Na marcação A encontra-se o CY7C63001A, que é o responsável pela comunicação USB entre o computador central e os dispositivos controladores. Através dele é possível ligar, desligar, selecionar o sentido e a energia disponibilizada para dois motores, além de permitir a leitura de até três sensores. Na marcação B está o PIC18F252, ele serve de suporte ao chip da Cypress ampliando

37 36 a freqüência do pulso PWM enviado aos motores de 100Hz para 2kHz. Ele também armazena os contadores dos sensores para facilitar o processo de leitura. O circuito e o programa para o PIC foram desenvolvidos pelo professor Miguel A. Wisintainer. Figura 13 Esquema eletrônico

38 Figura 14 Esquema eletrônico 37

39 Especificação do software A especificação do software é apresentada na Figura 15, na Figura 16 e na Figura 17, através dos diagramas de classes, de atividades e de sequência da UML. A ferramenta utilizada para especificação foi o Enterprise Architect. A Figura 15 apresenta a estrutura de classes do programa que controla o veículo. A classe de controle atuará em dois dispositivos diferentes. A classe de dispositivo se comunicará com o hardware através da porta USB. Para que essa comunicação fosse possível em linguagem Java, foram criadas as classes de interface com a biblioteca DelcomDLL, descrita na seção 2.5, escrita em linguagem C. class Classes Dispositiv o Controle UsbIO - nome: String - husb: Pointer - numserial: int - versaofirmware: byte - datafirmware: String - majorcmd: byte - minorcmd: byte - datalsb: byte - datamsb: byte - lenght: short - extdata: byte[] + close() : void + setpwm() : void + setpwmmotor1() : void + setpwmmotor2() : void + ligamotor1() : void + ligamotor2() : void + desligamotor1() : void + desligamotor2() : void + direitamotor1() : void + direitamotor2() : void + esquerdamotor1() : void + esquerdamotor2() : void + selecionasensor() : void + lesensor() : void + zerardispositivo() : void disptracao: Dispositivo - dispdirecao: Dispositivo - roda: double - furosencoder: int - tempoamostragem: int - distanciapercorrida: double - parar: boolean - velocidadereal: double - anguloatual: double - distanciadesejada: double - velocidadedesejada: double - angulodesejado: double - distanciatotal: double - velocidademax: double - velocidademin: double - emmovimento: boolean + sentidoavanco() : void + sentidorecuo() : void + calcdistanciaamostragem() : void + calcparar() : void + pararveiculo() : void + zerarsensores() : void + calcvelocidadereal() : void + calccontrole() : void + inclinaesquerda() : void + inclinadireita() : void + reiniciadirecao() : void + calcdirecao() : void + encerrar() : void + calcparardirecao() : void lib: InterfaceDelcomDLL - devicenamesarray: DeviceNameStruct + inidevice() : int + getdevicename() : String + opendevice() : Pointer + closedevice() : void + getserialnum() : int + getfirmwareversion() : byte + getfirmwaredate() : String + sendpacket() : void InterfaceDelcomDLL Dev icenamestruct PacketStruct Figura 15 Diagrama de classes Já na Figura 16 está descrita a interação do usuário com o sistema. O diagrama apresenta o momento da definição dos valores para o movimento do automóvel. A qualquer momento podem ser incluídas novas informações e o sistema recalculará o movimento, do ponto da alteração em diante. Na Figura 17 é apresentado o diagrama de sequência que também representa o momento em que o usuário define os valores do percurso, porém neste estão exemplificados os principais métodos do sistema e as classes de interface com a biblioteca utilizada.

40 39 act Atividades início Ligar o carro Definir informações de direção Usuário digita ângulo das rodas dianteiras início Apresenta mensagem: "Valor incorreto". não valor correto? sim final Sistema inclina rodas dianteiras Definir informações de tração Apresenta mensagem: "O veículo deve estar parado para alterar a direção" não Usuário seleciona direção início direção é igual a que está sendo realizada? sim veículo está em movimento? sim não Usuário digita distância a percorrer Apresenta mensagem: "A distância deve ser maior que zero" não distância > 0 sim Usuário digita velocidade desejada Apresenta mensagem: "Velocidade inválida" não velocidade entre maxima e minima sim final Inicia o mov imento Usuário opta por parar o veículo Veículo para após percorrer a distância informada final Figura 16 Diagrama de atividades

41 40 sd Sequencia Interface Controle Dispositivo UsbIO InterfaceDelcomDLL Usuário ou software Liga o carro() iniciacontrole() iniciausbio() iniciadispdirecao() iniciadisptracao() loop Seleciona sentido() sentidoavanco() disptracao.direitam1() sendpacket() sendpacket() disptracao.direitam2() sendpacket() sendpacket() Digita velocidade desejada() setvelocidadedesejada() Digita distancia desejada() setdistanciadesejada() Digita inclinacao desejada() setangulodesejado() dispdirecao.ligam1() sendpacket() sendpacket() dispdirecao.setpwm() calcparardirecao() sendpacket() sendpacket() dispdirecao.desligam1() sendpacket() sendpacket() Seleciona andar() andar() loop [while!(parar)] calccontrole() disptracao.setpwm() sendpacket() sendpacket() Seleciona parar() pararveiculo() setpwm(0) sendpacket() sendpacket() Seleciona fechar() encerrar() disptracao.close() sendpacket() sendpacket() dispdirecao.close() sendpacket() sendpacket() Figura 17 Diagrama de sequência

42 IMPLEMENTAÇÃO A seguir são mostradas as técnicas e ferramentas utilizadas no desenvolvimento deste protótipo, são apresentados trechos do código fonte desenvolvido. Também é demonstrada a operacionalidade da implementação através de um estudo de caso Técnicas e ferramentas utilizadas Na implementação do software foi utilizada a linguagem de programação Java através do ambiente de desenvolvimento Eclipse 3.2. Para utilizar o programa embutido no microcontrolador da Cypress foi utilizada a biblioteca DelcomDLL.dll fornecida pela empresa Delcom Engineering. No desenvolvimento do software foram utilizadas as seguintes funções do microcontrolador: a) encontrar dispositivos USB; b) abrir a comunicação com os dispositivos encontrados; c) ler o nome do dispositivo; d) ler o número de série do dispositivo; e) ler a versão do firmware; f) ler a data do firmware; g) enviar pacote de dados para escrita no barramento I2C com o valor para PWM; h) receber pacote de dados para leitura do barramento I2C com a contagem de pulsos do sensor. Para utilizar estas funções foi implementada uma interface com a biblioteca para que o programa em linguagem Java pudesse se comunicar com a biblioteca desenvolvida em linguagem C. Nesse caso foi utilizada uma API denominada JNA para viabilizar a integração. Uma das classes da interface pode ser vista no Quadro 5. Para controlar a velocidade do carro foram implementados os algoritmos da engenharia de controle descritos na seção 2.3. Conforme os dados são inseridos na tela os métodos vão sendo chamados para executar os movimentos no veículo. Todos os dados informados vão para a classe de controle responsável pela comparação e manutenção do movimento real em relação ao desejado.

43 42 package delcom; import com.sun.jna.library; import com.sun.jna.pointer; public interface InterfaceDelcomDLL extends Library{ //Common functions public int DelcomGetNthDevice(int type, int nth, byte[] name); public int DelcomScanDevices(int type, DeviceNamesStruct[] devicename, int max); public int DelcomReadDeviceSerialNum(String name, int husb); public Pointer DelcomOpenDevice(String name, int mode); public int DelcomCloseDevice(Pointer husb); public int DelcomSendPacket(Pointer husb, PacketStruct send, PacketStruct receive); } Quadro 5 Classe de interface com a biblioteca DelcomDLL.dll O controle da velocidade é feito em malha fechada, portanto, a realimentação depende da contagem dos pulsos gerados pelos sensores instalados nas rodas traseiras. A contagem é feita pelo microcontrolador baseada num PIC18F252. A partir do número de pulsos e das dimensões da roda, é calculada a velocidade real e comparada com o valor desejado, determinando erro. O valor do erro é utilizado para realimentar o sistema. É calculada então a nova entrada visando reduzir o erro e atingir a velocidade desejada, sendo então determinada uma nova saída do PWM. Foram implementados quatro algoritmos de controle, proporcional, proporcionalderivativo, proporcional-integral, proporcional-integral-derivativo, conforme descritos na seção Esses algoritmos estão apresentados nos quadros a seguir (Quadro 6, Quadro 7, Quadro 8, Quadro 9). As vantagens e diferenças encontradas entre eles são comentadas mais adiante. O Quadro 6 demonstra o controle proporcional. Nele a saída é amplificada sempre proporcionalmente ao valor do erro encontrado. O erro é a diferença entre a velocidade desejada e a velocidade realimentada através dos sensores. Para que o controle funcione o sinal de entrada e o de saída, ou seja, o erro e o valor calculado para o ajuste devem estar na mesma unidade de medida. Considerando isso, o algoritmo foi implementado de forma que a velocidade e o PWM estejam sempre em valor proporcional em vez de unidades. O tempo de amostragem usado é de um segundo. A variável de ganho proporcional kp foi ajustada através de testes.

44 43 public void calccontroleproporcional(){ //a saída é proporcional ao sinal de erro // o controlador é simplesmente um amplificador //Saída = kp*e (pode também ter uma constante chamada Bias) double kp = 0.8; double erro; double saidap; int valorajuste; int PWM = 0; parar = false; while (!parar){ try { Thread.sleep(tempoAmostragem*1000); } catch (Exception e) { e.printstacktrace(); } erro = velocidadedesejada - calcvelocidadereal(); saidap = kp*porcentagemvelocidade(erro); valorajuste = (int) PWMporcentagem(saidaP); PWM += valorajuste; } if(pwm > 255){PWM = 255;}else { if (PWM<0){PWM = 0;} } setpwmtracao(pwm); calcparar(); } pararveiculo(); Quadro 6 Algoritmo de controle proporcional (P) No Quadro 7 é apresentado o cálculo do controle proporcional somado ao controle integral. O cálculo proporcional é o mesmo apresentado no Quadro 6. O cálculo integral é o somatório dos valores de desvio. Assim como o controle proporcional o integral também possui uma variável de ganho que deve ser ajustada de acordo com testes.

45 44 public void calccontroleproporcionalintegral(){ double kp = 1; double ki = 1; double erroatual = 0; double erroanterior = 0; int dt = 0; double integralatual=0; double integralanterior=0; double saidai; double saidap; int valorajuste; int PWM = 0; parar = false; while (!parar){ try { Thread.sleep(tempoAmostragem*1000); } catch (Exception e) { e.printstacktrace(); } dt++;//conta o tempo para o cálculo erroatual = velocidadedesejada - calcvelocidadereal(); //calculo proporcional saidap = kp*porcentagemvelocidade(erroatual); //calculo integral integralatual = (erroatual+erroanterior)/2*dt;//soma dos erros multiplicados pelo tempo integralatual += integralanterior;//área sob a curva integral saidai = integralatual *ki; } valorajuste = (int) PWMporcentagem(saidaP+saidaI); PWM += valorajuste; if(pwm > 255){PWM = 255;}else { if (PWM<0){PWM = 0;} } setpwmtracao(pwm); //para o próximo loop erroanterior = erroatual; integralanterior = integralatual; calcparar(); } pararveiculo(); Quadro 7 Algoritmo de controle proporcional integral (PI) O Quadro 8 mostra o controle proporcional somado ao controle derivativo. A derivada do sinal de erro em relação ao tempo é multiplicada pela constante de ganho derivativo. Como as outras constantes de ganho, esta também recebe um ajuste manual até que a função fique com uma resposta adequada.

46 45 public void calccontroleproporcionalderivativo(){ double kp = 1; double kd = 1; int dt = 0; double erroatual = 0; double erroanterior = 0; double saidap; double saidad; int valorajuste; int PWM = 0; parar = false; while (!parar){ try { Thread.sleep(tempoAmostragem*1000); } catch (Exception e) { e.printstacktrace(); } } dt++; erroatual = velocidadedesejada - calcvelocidadereal(); //controle proporcional saidap = kp*porcentagemvelocidade(erroatual); //controle derivativo saidad = (erroatual - erroanterior)/dt * kd; valorajuste = (int) PWMporcentagem(saidaP+saidaD); PWM += valorajuste; if(pwm > 255){PWM = 255;}else { if (PWM<0){PWM = 0;} } setpwmtracao(pwm); //para o próximo loop erroanterior = erroatual; calcparar(); } pararveiculo(); Quadro 8 Algoritmo de controle proporcional derivativo (PD) No Quadro 9 está o algoritmo de controle que utiliza as três técnicas em conjunto. A combinação da ação proporcional, integral e derivativa tende a produzir um controlador mais robusto e confiável, portanto a aplicação de testes é o único meio de afirmar qual algoritmo é o mais adequado para cada sistema.

47 46 public void calccontroleproporcionalintegraldevirativo(){ double kp = 0.8; double ki = 1; double kd = 1; double erroatual = 0; double erroanterior = 0; int dt = 0; double integralatual=0; double integralanterior=0; double saidai; double saidap; double saidad; int valorajuste; int PWM = 0; parar = false; while (!parar){ try { Thread.sleep(tempoAmostragem*1000); } catch (Exception e) { e.printstacktrace(); } dt++;//conta o tempo para o cálculo erroatual = velocidadedesejada - calcvelocidadereal(); //calculo proporcional saidap = kp*porcentagemvelocidade(erroatual); //calculo integral integralatual = (erroatual+erroanterior)/2*dt;//soma dos erros multiplicados pelo tempo integralatual += integralanterior;//área sob a curva integral saidai = integralatual *ki; } //controle derivativo saidad = (erroatual - erroanterior)/dt * kd; valorajuste = (int) PWMporcentagem(saidaP+saidaI+saidaD); PWM += valorajuste; if(pwm > 255){PWM = 255;}else { if (PWM<0){PWM = 0;} } setpwmtracao(pwm); //para o próximo loop erroanterior = erroatual; integralanterior = integralatual; calcparar(); } pararveiculo(); Quadro 9 Algoritmo de controle proporcional integral derivativo (PID) A verificação da distância percorrida também depende da contagem dos sensores. É comparada a distância desejada com a percorrida levando-se em consideração o tempo de amostragem e a velocidade executada no momento para decidir a parada do veículo. A distância percorrida é zerada sempre que um novo valor é informado, porém a distância total é conservada caso seja necessária para fins estatísticos. O algoritmo de decisão de parada é apresentado no Quadro 10.

48 47 public void calcparar(){ if(distanciapercorrida >= (distanciadesejada - velocidadereal)){ parar = true; } } Quadro 10 Algoritmo de decisão de parada Para controlar a direção é possível selecionar a direção em que as rodas devem ser inclinadas. Elas serão movimentadas continuamente até que o usuário selecione a opção parar Operacionalidade da implementação Esta seção descreve o funcionamento do protótipo através de um estudo de caso. Para utilizar o carro é necessário ligá-lo a uma bateria de 12 volts e iniciar o programa do computador central. Ao iniciar o programa será apresentada uma tela conforme a Figura 18 onde se podem configurar as seguintes informações: sentido do movimento (avanço ou recuo), velocidade desejada e distância a percorrer. Também é possível inclinar as rodas dianteiras continuamente e solicitar sua parada controlando visualmente a posição desejada. Da mesma forma é possível solicitar o movimento do veículo sem a necessidade de indicar uma distância a percorrer (distância zero), neste caso a parada deve ser solicitada, pois não será calculada pelo algoritmo de controle. Figura 18 Tela principal Caso o usuário não queira utilizar a tela estão disponíveis os comandos de software descritos no Quadro 11.