Placa Eletrônica para Robôs Móveis

Transcrição

1 Projeto de iniciação científica Placa Eletrônica para Robôs Móveis Orientador: Flavio Tonidandel Departamento: Engenharia Elétrica Candidato: Luiz Roberto Alves Pereira N FEI: Início: Fevereiro de 2009 Provável conclusão: Janeiro de 2010

2 RESUMO DO PROJETO A equipe do Centro Universitário da FEI, RoboFei [1], participa anualmente da competição IEEE Livre [2] que tem como característica estimular o desenvolvimento da robótica na America latina. Esta competição tem suas regras alteradas todos os anos, sendo criados novos desafios a serem superados pelas equipes. Porém em todas as edições os robôs precisam vencer esses desafios de forma autônoma, sem interferência humana. Este projeto tem como principal objetivo o desenvolvimento de um hardware e um firmware que permita o desenvolvimento de qualquer robô móvel para desempenhar as tarefas do evento sem necessitar de grandes modificações em seu equipamento. Esse projeto também seria usado como plataforma de desenvolvimento e pesquisa na instituição a fim de testes de novos sensores e dispositivos que podem ser acoplados a esse hardware através de seus conectores. Palavras-chave: 1. Robótica 2. Modularidade 3. Sensores 4. Microcontrolador

3 I. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A robótica móvel [3] é uma categoria caracterizada pela mobilidade de seus robôs e sua capacidade de navegação por ambientes diversos. O robô móvel difere-se de outras categorias de robôs, pois não são instalados em um local fixo, onde os acontecimentos futuros são previsíveis. Robôs classificados como braço robóticos [4], não são capazes de alcançar pontos fora de sua área de trabalho. Robôs móveis são capazes de se locomover e interagir com o ambiente por isso são utilizados para trabalharem em ambientes desconhecidos, ambientes dinâmicos onde não se tem como prever o estado futuro desse ambiente. Esses robôs podem ser controlados remotamente ou podem ser totalmente autônomos, capazes de tomar decisões em situações adversas. I.1. Laboratório de Robótica e inteligência artificial. Nesse laboratório são desenvolvidas pesquisas e alguns projetos que participam de eventos e competições pelo Brasil. Entre eles o futebol de robôs [5][6][7] e o IEEE Livre, descrito a seguir. I.1.1. IEEE Livre. Esta competição ocorre anualmente no país sendo que há também a versão Latina Americana. Ela funciona da seguinte forma: a regra é disponibilizada para as equipes com alguns meses de antecedência através do site oficial da organização do evento. Com posse das regras as equipes constroem os robôs com o objetivo de superar os obstáculos propostos. Essas regras são alteradas todos os anos para estimular novas pesquisas, mas o robô sempre realizará as tarefas de forma autônoma, sem interferência humana. Próximo à data da competição as equipes submetem uma descrição do projeto, assim é possível trocar informações com as outras equipes e compartilhar tecnologias.

4 I.2. Hardware e Firmware. A construção de um robô móvel requer uma serie de dispositivos como motores, servomecanismos, vários sensores, eletrônica de potência e controle. O uso de motores [8] é necessário para dar movimentos ao robô, com eles é possível atribuir à quantidade de graus de liberdade que o mesmo possui. A eletrônica de potência é a interface entre o controle e os motores, essa etapa é responsável por fornecer corrente suficiente para ativá-los. Essa interface é composta por uma ponte H [9] para cada motor e seu circuito está demonstrado abaixo. Figura 1 Ponte H [9]. A ponte H trabalha com quatro chaves, sendo que as duas de cada lado são acionadas em comum e trabalham com lógica invertida, ou seja, quando a superior estiver fechada a inferior estará aberta, o mesmo acontece do outro lado. Com isso podemos controlar o sentido de movimentação do motor, conforme figura abaixo.

5 Figura 2 Funcionamento da inversão de rotação [9]. Essa configuração possibilita também acionar o motor em diferentes velocidades, isso ocorre por que as chaves são acionadas através de um pulso PWM, deste modo a velocidade e controlada pela largura de pulso. A eletrônica de controle e composta por um microcontrolador [10] que gerencia todos os sensores e motores conectados ao robô. O microcontrolador é um dispositivo poderoso que possui os mesmos componentes de um microcomputador, como CPU, memória RAM e ROM internas, I/O s, timers, contadores, interrupções, comparadores analógicos, PWM (Pulse Width Modulation), conversor A/D, entre outros periféricos. Através de um firmware gravado em sua memória ROM, ele executa uma seqüência de tarefas, que entre elas podem ser, tratar uma informação do meio externo, enviar um dado a outro microcontrolador, acender ou ligar um dispositivo, e mais uma infinidade de possibilidades. Os sensores são responsáveis por transmitirem as sensações do ambiente para o microcontrolador, muitos tipos de sensores podem ser utilizados em robô, mas os que merecem destaque na robótica móvel são os sonares [11] e bússolas digitais [12] entre outros tantos.

6 II. PROJETO DE PESQUISA II.1. Objetivos e justificativas Este projeto tem como objetivo a construção de um hardware e um firmware para poder ser aplicado a qualquer robô móvel autônomo, tendo como principal característica ser um dispositivo genérico e padronizado, com módulos pré-definidose programados, que permita incluir e substituir periféricos bem como controlar o robô de forma fácil e rápida. Este trabalho também tem como objetivo ser uma plataforma de pesquisa e desenvolvimento para testar a funcionalidade de novos sensores aplicados a robôs móveis. II.2. Metodologia II.2.1. Recursos humanos e materiais Há necessidade de um aluno de iniciação científica para realizar este trabalho e os recursos de materiais necessários para a implementação desse equipamento são: - Software de edição e compilação do código fonte, que já existe no laboratório de Robótica e IA; - Laboratório de Robótica e IA para a utilização do PC; - Recursos do CLE (fontes de alimentação, componentes e equipamentos de medida, etc.). II.2.2. Métodos O aluno já faz parte do projeto RoboFEI, como voluntário desde agosto de 2008, ano em que começou a ter contato com o Laboratório de Robótica. Inicialmente será feita uma pesquisa sobre os tipos de sensores mais importantes na construção de um robô que tem como característica a flexibilidade em suas aplicações. Em seguida serão definidos quais atuadores darão movimento ao robô, levando em consideração a velocidade e o torque, e qual a melhor forma de alimentar esses dispositivos.

7 Após essas definições serão realizados testes nos sensores a fim de confirmar a eficácia e viabilização destes dispositivos no projeto. Depois será necessária a definição da eletrônica de potência, para acionar os motores que irão movimentar o robô, e a eletrônica de controle para gerenciar todos os dispositivos e as futuras expansões. Será realizado teste de deslocamento para depois ser confeccionada a placa eletrônica. Por fim, virão a programação e os testes finais que garantirão o funcionamento correto do dispositivo eletrônico e a necessidade de ajustes finais. II.3. Plano de trabalho e cronograma A tabela I apresenta o cronograma de atividades deste projeto de iniciação científica. Revisão bibliográfica Tabela I: Cronograma de atividades do projeto de iniciação científica. Meses Atividade Pesquisa e definição dos sensores Definição dos motores e servos Definição das baterias Teste dos sensores Definição da eletrônica de potência Definição da eletrônica de controle Testes de deslocamento Confecção das placas Programação Testes e alterações finais Elaboração de relatório parcial Elaboração do relatório final

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] - RoboFEI - Disponível em: < Acesso em: 14 Dez [2] - IEE Livre - Disponível em: <ftp://users.dca.ufrn.br/regras/open2008_pt.pdf>. Acesso em: 14 Dez [3] - C. Ribeiro, A. H. R. Costa e R. A. F. Romero, Robôs Moveis e Inteligentes: Princípios e Técnicas. [4] - FRANCHIN, Marcelo N. Elementos de Robótica Disponível em: < Acesso em: 14 Dez [5] - Martins, F. Murilo. Desenvolvimento de um novo protótipo para o time de futebol de robôs da FEI. Disponível em: < Acesso em: 14 Dez [6] - RoboCup Official Site. Disponível em: < Acesso em: Acesso em: 14 Dez [7] - Federation of International Robosoccer Association. Disponível em: < Acesso em: 14 Dez [8] - Santos, André O. Desenvolvimento do Time de Futebol de Robôs da Categoria Small Size da FEI - ROBOFEI. Disponível em: < Acesso em: 14 Dez [9] - Patsko, Luís F. Tutoria montagem da ponte h.. Disponível em: %20Montagem%20de%20uma%20Ponte%20H.pdf. Acesso em: 14 Dez [10] - Sousa, Daniel R. Microcontroladores ARM7 (Philips - família LPC213x). Érica, [11] - Max Sonar - Disponível em: < Acesso em: 14 Dez [12] - Bússola Digital - Disponível em: < cs.pdf>. Acesso em: 14 Dez