P3R3 - Robô na Escola

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1 2015 P3R3 - Robô na Escola Tutorial Arduino e Programação 1

2 Coordenador Marco José de Sousa Colaboradora - Diretora Escola Estadual Luiz Nunes Direito Maria de Belém Miranda de Souza Bolsista - LAPS Laboratório de Processamento de Sinais Adalbery Rodrigues Castro Bolsista GVA Grupo de Vibrações e Acústica Gustavo da Silva Vieira de Melo Bolsista Graduando Engenharia da Computação Alisson Ricardo da Silva Souza Equipe de Desenvolvimento Alisson Ricardo da Silva Souza Alexandre Van Der Vem Edson de Jesus Rodrigues Gonçalves José Heitor Linhares Mariano Yuri Chaves Freimann Colaboradores Arthur William da Silva Ramos Italo Tempes Wederson Silva Projeto Gráfico Alisson Ricardo da Silva Souza Edson de Jesus Rodrigues Gonçalves Realização: Apoio: 2

3 Sumário 1 Introdução 2 histórico sobre Computadores 3 Definição de Arduino 3.1 Hardware de Arduino 3.2 Programação (histórico) 3.3 Programação Arduino 3.4 Exemplos de Projetos com Arduino 4 Código exemplo do Robô 5 Bibliografia 3

4 1. Introdução O surgimento do computador vem de muito tempo atrás. Acerca de dois mil anos atrás os gregos tinham equipamentos que podiam ser considerados como computadores de hoje em dia, é claro que esses equipamentos não eram exatamente iguais aos computadores de hoje, mas eles tinham uma coisa em comum: processavam informações. Naquela época não havia se descoberto a eletricidade, ou seja, esses equipamentos funcionavam mecanicamente, com algum mecanismo que processava informações. A partir da descoberta da eletricidade, é que surgiram os computadores eletrônicos que conhecemos até hoje. O primeiro computador eletrônico era muito grande, mas depois de um tempo, a eletrônica dentro do computador ficou menor e os computadores ficaram menores. Todo computador eletrônico tem a parte de software e a parte do hardware. O software é responsável pelos programas do computador. Já o hardware é a parte física do computador, ou seja, a eletrônica. Os programas são um conjunto de instruções feitas pelo programador por uma linguagem de programação para que a máquina processe. 2. Histórico sobre Computadores Desde a Grécia antiga, já existia computadores, como por exemplo, o mecanismo Antikythera, que foi encontrado em 1901 por mergulhadores em um navio romano naufragado na costa da Grécia. Esse computador provavelmente tem cerca de 2 mil anos, é do tamanho de um notebook e possui diversas engrenagens dentro dele conforme mostra a Figura 1. Ele servia para prever eclipses solares e calcular as datas de olimpíadas na Grécia antiga. Figura 1 Mecanismo Antikythera. BBC Durante a segunda Guerra mundial, muitas maquinas estavam sendo criadas para quebrar o código das mensagens inimigas. Dentre essas maquinas a que se destacou foi de Alan Turing. Alan Turing criou a famosa teoria de Maquina de Turing, que diz que através de um numero finito de operações, é possível resolver problemas computacionais de diversas ordens. A maquina de Turing foi implementada através da criação do computador Colossus, em 1946 conforme mostra a Figura 2. 4

5 Figura 2 Colossus. Wikipedia A primeira geração de computadores aconteceu de 1946 até 1959 e essa geração foi marcada pelas válvulas eletrônicas, os computadores eram muito grandes, consumiam muita energia elétrica e geravam muito calor. Esses computadores tinham capacidade de processamento muito limitada, necessitavam de muitas manutenções e eram usados somente para cálculos. Em 1946, foi criado pelos cientistas norte-americanos John Eckert e John Mauchly, o primeiro computador eletrônico digital de proposito geral do mundo, o ENIAC (Eletronic Numerical Integrator and Computer ou Computador e Integrador Numérico Eletrônico). O ENIAC pesava 30 toneladas, tinha 140 metros quadrados, mais de 18 mil válvulas e gastava 140 mil Watts. Sua capacidade de processamento era muito mais rápida que os computadores da época, ele era capaz de realizar 5 mil adições por segundo. Era um computador decimal com 20 acumuladores como memoria e podia armazenar um número decimal de até 10 dígitos. Operou até O ENIAC pode ser visto na Figura 3. Figura 3 ENIAC (Eletronic Numerical Integrator and Computer). A segunda geração de computadores aconteceu de 1959 até 1964 e essa geração foi marcada pelos transistores, os computadores eram menores, mais rápidos, consumiam menos energia elétrica e geravam menos calor comparado com os da primeira geração. Esses computadores tinham vários transistores instalados em placas 5

6 de circuito impresso, eliminando a necessidade de muitos fios elétricos como na primeira geração. Essa geração deu inicio aos microcomputadores. A terceira geração de computadores aconteceu de 1964 até 1970 e essa geração foi marcada pelos circuitos integrados, os computadores eram menores e mais rápidos, comparado com os da segunda geração. Esses computadores tinham vários circuitos integrados, que permitia interligar diferentes hardwares. Os circuitos integrados são pequenos chips de silício que contém milhares transistores. Essa geração deu inicio a microeletrônica. A quarta geração de computadores começou em 1970 e vai até hoje em dia, essa geração é marcada pelos circuitos integrados em larga escala, os computadores são menores, mais rápidos, tem mais transistores e mais circuitos integrados, comparado com os da terceira geração. Essa geração é marcada pelo advento dos microprocessadores e computadores pessoais. Em 1976, foi lançado nos EUA por Steve Jobs o que pode ser considerado o primeiro computador pessoal com interface gráfica, o Apple I. O Apple I era uma placa de circuito impresso com vários chips. Para formar um computador pessoal completo com interface gráfica era necessário colocar gabinete, fonte e monitor nele. O Apple I, já com o gabinete e teclado montados, pode ser visto na Figura 4. Figura 4 Apple I com gabinete e teclado montado. 3. Definição de Arduino Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica aberta baseada na flexível, fácil de usar hardware e software. É destinado a artistas, designers, inventores e qualquer pessoa interessada em criar objetos ou ambientes interativos. Ou seja, é um computador de hoje em dia. Existem diversas placas Arduino, a que será trabalhada nesta apostila é o Arduino Uno conforme mostra a Figura 5. 6

7 3.1 - O hardware do Arduino Figura 5 Arduino Uno. Arduino Figura 6 O Hardware do Arduino Uno. Robotizando Existem 3 maneiras de alimentar o Arduino Uno, pelo cabo USB, por uma fonte de alimentação externa ou pelos pinos de alimentação do Arduino. Para se passar os programas do computador para o Arduino, é necessário que o computador esteja conectado com Arduino através do cabo USB. Com isso, o computador alimenta o Arduino. Com uma fonte de tensão externa AC-DC ou uma bateria, é possível conectar na entrada do Arduino, ou nos pinos de alimentação Vin e Gnd. É recomendável que a fonte de tensão externa seja de no mínimo 7V até no máximo 12V. Os outros pinos de alimentação servem para alimentar um circuito elétrico, os 3 Gnd servem como terra do circuito, o 5V fornece uma tensão de 5V e o de 3V3, um tensão de 3,3V. A CPU do Arduino Uno, é o microprocessador Atmel ATmega328, os programas são armazenados na memoria flash do microprocessador que tem 32KB. A memoria flash, é uma memoria volátil, ou seja, os dados gravados podem muito bem ser substituídos. O microprocessador então processa os programas. O Arduino Uno possui 14 portas digitais e 6 portas analógicas. Essas 14 portas digitais podem funcionar como entrada ou saída digital. O pino digital tem dois estados que são: 0 que é sem tensão e 1 que é com tensão. Não ha como saber o valor exato 7

8 desta tensão. Já as 6 portas analógicas podem funcionar tanto como entradas analógicas como também entrada ou saída digital. Os pinos 3, 5, 6, 9, 10 e 11 são PWM, que significa saída analógica, muito usada para controlar velocidades de motores. O pino analógico tem vários estados que dependem do valor exato da tensão. Os pinos 0 e 1, são os pinos da porta serial, o 0 RX é usado para receber dados, já o 1 TX, para transmitir dados. Existem placas de circuito impresso que são conectados no Arduino Uno, para aumentar suas funções. Essas placas são chamadas de Shields que significa escudos. Em comparação com o computador de hoje em dia, um Shield seria uma impressora. O Arduino Motor Shield como mostra a figura 7, é um shield que serve para controlar motores Programação (histórico) Figura 7 Arduino Motor Shield. Arduino O surgimento da programação vem de muito tempo atrás. As pessoas fazem suas atividades de acordo com programas que o computador executa. Os programas são instruções em uma linguagem que o computador entenda. Essas instruções são feitas primeiro em português, que é o algoritmo, para depois ser escrito em uma linguagem de programação. Um exemplo de algoritmo pode ser visto abaixo: início função setup() início pino 13 saida fim função loop() início pino 13 1 espera 1 segundo pino 13 0 espera 1 segundo fim fim A programação do Arduino A programação do Arduino é feita em um ambiente de desenvolvimento integrado de software. Esse ambiente é um programa onde se faz os códigos e transfere para uma placa Arduino. Um código de Arduino contém varias instruções que são em 8

9 inglês. A placa Arduino segue essas instruções. Essas instruções são chamadas de funções. Todo programa de Arduino tem duas funções, uma que é a void setup() e a outra que é a void loop(). A void setup() é uma função que é executada apenas quando começa o programa e serve para configurar os pinos da placa e estabelecer a comunicação serial com um computador. A outra void loop() é uma função que executa os comandos que são colocados nela infinitamente. A função pinmode(numero do pino, Input/Output) é colocada na void setup() e serve para configurar um pino como sendo saída ou entrada. A função digitalwrite(numero do pino, 0/1) é colocada na void loop() e serve para escrever em um pino digital 0 ou 1(0V ou 5V). A função digitalread(numero do pino) é colocada na void loop() e serve para ler em um pino digital 0 ou 1(0V ou 5V). A função analogwrite(numero do pino, 0 a 255) é colocada na void loop() e serve para escrever em um pino analógico ou PWM um valor entre 0 até 255(0V até 5V). A função analogread(numero do pino) é colocada na void loop() e serve para ler em um pino analógico um valor entre 0 até 255(0V até 5V). As variáveis podem ser int que é um inteiro, long que é um inteiro maior, byte que é um inteiro entre 0 e 255 e float que é um fracionário. Existem as funções de tempo que são: delay(ms), delaymicroseconds(us) e millis(). A delay(ms) para o programa por um período de milissegundos. A delaymicroseconds(us) para o programa por um período de uns microssegundos. Por ultimo a millis() guarda o tempo em milissegundos desde que a placa Arduino foi ligada. Para saber quanto tempo um pino digital passa de um estado para outro através da função pulsein(pino, valor, espera), onde os parâmetros são pino que é o numero do pino, valor do pulso que será medido e espera(opcional) que determina apos microssegundos a função vai executar. Essa função retorna o tempo em microssegundos que um determinado pino digital muda de 0 para 1 ou vice-versa. A comunicação serial é feita através dos comandos: Serial.begin(taxa), Serial.end(), Serial.available(), Serial.read(), Serial.print(valor, formato) e Serial.println(valor, formato). A Serial.begin(taxa) é colocada na void setup() e serve para estabelecer a comunicação serial e o parâmetro taxa significa a velocidade com que as informações serão transmitidas. A Serial.end() é colocada na void setup() e serve para desabilitar a comunicação serial. A Serial.available() é colocada na void loop() e serve para saber se tem alguma coisa na porta serial. A Serial.read() é colocada na void loop() e serve para ler alguma coisa na porta serial. A Serial.print(valor, formato) é colocada na void loop() e serve para imprimir alguma coisa na porta serial. A Serial.println(valor, formato) faz a mesma coisa só que pulando uma linha. É possível instalar bibliotecas no ambiente de desenvolvimento integrado de software. Existem diversas bibliotecas disponíveis na internet. Tudo que se precisa fazer é colocar a biblioteca em uma pasta chamada libraries. Com uma biblioteca é possível colocar mais funções em um programa. No programa é preciso incluir a biblioteca com a função #include<nomedabiblioteca>. 9

10 Em um programa Arduino existem diversas funções logicas como: se, senão, escolha, caso, enquanto, faça e para. Essas funções servem para dar instruções ao Arduino. Elas são escritas em inglês no programa e são: if, else, switch, case, while, do e for Exemplos de projetos com o Arduino Acendendo e apagando o led da porta digital 13 que é o led L no Arduino Uno Figura 8 Código Exemplo. Neste código, primeiro é definida uma variável do tipo inteira que é led e recebe o valor 13 que é o numero do pino. Na função void setup(), essa variável é colocada como saída. Por ultimo na função void loop() o pino é colocado em estado alto, espera 1 segundo, é colocado em estado baixo, espera mais 1 segundo e começa tudo novamente. Recebendo e escrevendo dados na porta serial 10

11 Figura 9 Código Exemplo. Neste código, primeiro é definido uma variável do tipo inteira que é incomingbyte e recebe o valor 0. Na função void setup(), é iniciada a porta serial. Por ultimo na função void loop() se tiver alguma coisa na porta serial a variável incomingbyte vai receber o que tem lá e será impresso o que tem nessa variável na porta serial. Acendendo e apagando um led com PWM. Figura 10 - Código Exemplo. 11

12 Neste código, primeiro é definida uma variável do tipo inteira que é i e recebe o valor 0, depois é colocado a função void ledon(). Na função void setup(), o pino digital 10 é colocado como saída. Na função void ledon() o pino digital irá receber o valor de i. Por ultimo na função void loop() tem um laço for para a variável i que vai de 0 a 255 e chama a função ledon() e outro laço for para a variável i que vai de 255 a 0 e também chama a função ledon(). Utilizando o sensor de linha. Figura 11 - Código Exemplo. Neste código, primeiro é definida uma variável do tipo inteira que é led e recebe o valor 13 que é o numero do pino. Na função void setup() a porta serial é iniciada e essa variável é colocada como saída. Por ultimo na função void loop() é definido uma variável do tipo inteira que é sensorvalue, essa variável vai receber o valor de um sensor de linha colocado no pino analógico A0, esse valor será impresso na porta serial, se esse valor for menor ou igual a 100, o led acende caso contrario ele permanece apagado. Utilizando o ultrassom. 12

13 Figura 12 - Código Exemplo. Neste código, é utilizado o sensor ultrassom que consiste em um emissor e um receptor de frequências muito alta, da faixa do ultrassom. O emissor é chamado de trigger e o receptor é o echo. Para se calcular a distancia do sensor até um obstáculo, é preciso enviar um sinal pelo trigger e calcular quanto tempo leva para bater no obstáculo e voltar para o echo. Como esse tempo é de ida e de volta, tem que ser dividido por 2. A velocidade do som no ar é aproximadamente 340m/s, com isso através da formula V=S/t é possível saber a distancia. Após algumas conversões de unidades para que o resultado saia em cm temos que dividir o tempo em Utilizando motor de corrente continua. 13

14 Figura 13 - Código Exemplo. Nesse código, primeiro são definidas 6 variáveis do tipo inteira que são: motorpin, incpin, decpin, val, incbutton e decbutton. As variáveis motorpin, incpin e decpin recebem os valores 3, 4 e 5 respectivamente que são os numeros das portas digitais, já a variavel val recebe o valor 0 e as variáveis incbutton e decbutton, o estado logico baixo. Na função void setup() os pinos digitais 4 e 5 são colocados como entrada que são dois botões e o pino digital 3 como saída que é um motor de corrente continua, o motor é desligado e é iniciado a porta serial. Por ultimo, na função void loop(), as variáveis incbutton e decbutton recebem o estado logico dos pinos digitais 4 e 5 respectivamente, se o estado logico da variável incbutton for alto, incrementa a variável val, se o estado logico da variável decbutton for alto, decrementa a variável val, imprime na porta serial o valor de val, da uma pausa de 100ms e escreve no pino digital 3 que é o motor de corrente continua o valor de val. Utilizando motor de passo. 14

15 Figura 14 - Código Exemplo. Nesse código, primeiro é incluído a biblioteca do motor de passo Stepper.h, que já se encontra no software do Arduino, é definido uma constante do tipo inteira que é steps e recebe o numero de passos para o motor que é 200, é definido também duas variáveis do tipo inteira que são buttonstate e buttonstate1 que recebem 0 e uma função da biblioteca que é Stepper motor(steps, 8,9) que define os pinos digitais 8 e 9 que irão receber a constante e que será o motor de passo. O circuito desse código utiliza um circuito integrado L293D que é uma ponte H, ou seja, o motor de passo pode girar tanto no sentido horário quanto no sentido anti-horário. Na função void setup() é usada outra função da biblioteca que é motor.setspeed(100) e define a velocidade do motor de passo em rotações por minuto(rpm), é iniciada a porta serial, os pinos digitais 4 e 5 são colocados como entrada e são os botões 1 e 2 respectivamente, o pino digital 2 é colocado como saída e é a ativação do L293D e esse pino é colocado em nível logico baixo. Por ultimo, na função void loop(), as variáveis buttonstate e buttonstate1 recebem o estado logico dos pinos digitais 4 e 5 respectivamente, se o estado logico da variável buttonstate for alto, o pino digital 2 é colocado em estado logico alto, ativando o L293D, é impresso na porta serial botão e iniciada uma função da biblioteca que é motor.step(steps) fazendo o motor de passo girar no sentido horário, se o estado logico da variável buttonstate1 for alto, o pino digital 2 é colocado em estado logico alto, 15

16 ativando o L293D, é impresso na porta serial botão 1 e iniciada uma função da biblioteca que é motor.step(-steps) fazendo o motor de passo girar no sentido antihorário, caso contrario, o pino digital 2 é colocado em estado logico baixo, desativando o L293D, é impresso na porta serial Parado e iniciada uma função da biblioteca que é motor.step(0) fazendo o motor de passo ficar parado. Utilizando servo motor. Figura 15 - Código Exemplo. Nesse código, primeiro é incluído a biblioteca do servo motor Servo.h, que já se encontra no software do Arduino, é definido uma variável do tipo servo que é motor1 e uma variável do tipo inteiro que é pos e recebe 0. Na função void setup(), é utilizado uma função da biblioteca que é motor1.attach(8), essa função associa o pino digital 8 ao servo motor. Por ultimo na função void loop() é construído um laço for para a variável pos que é a posição e vai de 0 até 180º e chama uma função da biblioteca que é motor1.write(pos), essa função escreve a posição no servo motor, pausa por 15ms e depois tem outro laço for para a mesma variável que vai de 180º a 0 e chama a mesma função da biblioteca que é motor1.write(pos) e pausa novamente por 15ms. 4. Código exemplo para Robô // Sweep // by BARRAGAN < // This example code is in the public domain. #include <Servo.h> #define SERVO_R 9 16

17 #define SERVO_L 10 #define SENSOR_D_TRIGG 5 #define SENSOR_D_ECHO 4 #define SENSOR_R A4 #define SENSOR_L A3 #define SENSOR_D_MIN 10 #define SENSOR_D_MAX 100 #define SENSOR_D_STEP 5 #define MOVE_F 7 #define MOVE_S 0 #define MOVE_B 3 #define MOVE_LF 6 #define MOVE_RF 5 #define MOVE_LB 2 #define MOVE_RB 1 #define MOVE_SPINL 8 #define MOVE_SPINR 9 #define STATE_SCAPE 0 #define STATE_SEARCH 1 #define STATE_ATTACK 2 #define SEARCH_INTERVAL 10 #define SCAPE_INTERVAL 8 #define ATTACK_INTERVAL 10 #define SENSORD_LIMIAR 50 #define SENSORD_DIFF 5 Servo servor; Servo servol; int movement; // variable to store robo direction unsigned long sensord; unsigned long sensordold; int sensordoff; int sensordon; int sensorl; int sensorr; int sensorlbase; int sensorrbase; int state; int currenttime; // Functions: void MotorSetup(); void SensorSetup(); 17

18 void Sense(); void Think(); void Move(); // Setup for all: void setup() { Serial.begin(9600); randomseed(analogread(a0)); MotorSetup(); delay(1000); delay(1000); delay(1000); delay(1000); delay(1000); SensorSetup(); state = STATE_SEARCH; movement = int(random(5,8)); // Escolha um movimento aleatorio currenttime = SEARCH_INTERVAL; Move(); void loop() { Sense(); Think(); Move(); delay(100); if(currenttime>0) currenttime--; // Implementation: void MotorSetup(){ servor.attach(servo_r); servol.attach(servo_l); servor.write(90); servol.write(90); movement = MOVE_S; void SensorSetup(){ pinmode(sensor_d_trigg,output); pinmode(sensor_d_echo,input); digitalwrite(sensor_d_trigg,low); delay(1); sensord = 0; Sense(); sensorlbase = sensorl+sensorl/2; // tolerancias de +50% do preto inicial sensorrbase = sensorr+sensorr/2; sensordold = 400; 18

19 Robô na Escola - UFPA 2015 void Sense(){ // Read SR04 and stores the distance[cm] in sensord: digitalwrite(sensor_d_trigg,high); delaymicroseconds(15); digitalwrite(sensor_d_trigg,low); sensordold=sensord; sensord = pulsein(sensor_d_echo,high); sensord /= 58; // Read line sensors: sensorl = analogread(sensor_l); sensorr = analogread(sensor_r); void Think(){ // Testa se o robo atinge a faixa branca: if(sensorl>sensorlbase sensorr>sensorrbase) { currenttime = SCAPE_INTERVAL; if(state!=state_scape){ state = STATE_SCAPE; Serial.println("SET STATE_SCAPE"); if(sensorl>sensorlbase){ movement = MOVE_LF; Serial.println("MOVE_LF"); else{ movement = MOVE_RF; Serial.println("MOVE_RF"); else{ if(movement==move_lf && sensorr>sensorrbase){ movement=move_lb; if(movement==move_rf && sensorl>sensorlbase){ movement=move_rb; return; // Verifica se o tempo de estado expirou. Em caso positivo assume o estado search: if(currenttime>0){ return; // Assume o estado de ataque se a distancia lida for inferior da distancia base: if(sensord<sensord_limiar sensord>(sensordold+sensord_diff){ Serial.println("SET STATE_ATTACK"); state = STATE_ATTACK; currenttime = ATTACK_INTERVAL; movement = MOVE_F; 19

20 return; currenttime = SEARCH_INTERVAL; if(state==state_scape) { movement = MOVE_F; else { movement = int(random(5,8)); // Escolha de movimento aleatorio para frente, esquerda ou direita state = STATE_SEARCH; Serial.println("SET STATE_SEARCH"); void Move() { switch(movement) { case MOVE_RB: servor.write(0); servol.write(90); break; case MOVE_LB: servor.write(90); servol.write(180); break; case MOVE_B: servor.write(0); servol.write(180); break; case MOVE_RF: servor.write(180); servol.write(90); break; case MOVE_LF: servor.write(90); servol.write(0); break; case MOVE_F: servor.write(180); servol.write(0); break; case MOVE_SPINL: servor.write(0); servol.write(0); break; case MOVE_SPINR: servor.write(180); servol.write(180); break; default: servor.write(90); servol.write(90); break; Nesse código, tem um exemplo de um robô autônomo sumô, a ideia básica consiste em criar uma função void sense(), uma função void think() e uma função void move() e chama-las na função void loop(). A função void sense() é responsável pelos sensores, a função void think() determina um movimento a partir dos dados dos sensores e por ultimo a função void move() movimenta o robô. 5. Bibliografia n.shtml Apostilas de Arduino. Livro Arduino Básico. Autor: Michael McRoberts. Livro Experimentos com o Arduino. Autor: João Alexandre da Silveira. 20