PROJETO ESQUADRILHA DA MORTE. Orientação: Prof. Msc. Eberval Oliveira Castro

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1 FACULDADE ANHANGUERA DE JUNDIAÍ ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO / ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA DE MICROPROCESSADORES E MICROCONTROLADORES CORRIDA DE ROBÔS DA FACULDADE ANHANGUERA DE JUNDIAÍ 2012 Francisco Ricardo Leardine Wagner Augusto Bueno de Souza Paulo Jose da Silva Denilson Manzato João Felipe L. De Oliveira Flávio Salmi Scarazzato PROJETO ESQUADRILHA DA MORTE Orientação: Prof. Msc. Eberval Oliveira Castro JUNDIAÍ 2012

2 FACULDADE ANHANGUERA DE JUNDIAÍ ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO / ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA DE MICROPROCESSADORES E MICROCONTROLADORES COMPETIÇÃO DE ROBÓTICA DA FACULDADE ANHANGUERA DE JUNDIAÍ 2012 Francisco Ricardo Leardine Wagner Augusto Bueno de Souza Paulo Jose da Silva Denilson Manzato João Felipe L. De Oliveira Flávio Salmi Scarazzato PROJETO ESQUADRILHA DA MORTE Relatório apresentado ao Prof. Eberval Oliveira Castro na disciplina de Microprocessadores e Microcontroladores como condição para participação da Corrida de Robôs da Faculdade Anhanguera de Jundiaí JUNDIAÍ 2012

3 FACULDADE ANHANGUERA DE JUNDIAÍ CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO DISCIPLINA DE Microprocessadores e Microcontroladores COMPETIÇÃO DE ROBÓTICA DA FACULDADE ANHANGUERA DE JUNDIAÍ 2012 Francisco Ricardo Leardine Wagner Augusto Bueno de Souza Paulo Jose da Silva Denilson Manzato João Felipe L. De Oliveira Flávio Salmi Scarazzato PROJETO ESQUADRILHA DA MORTE Relatório apresentado ao Prof. Eberval Oliveira Castro na disciplina de Microprocessadores e Microcontroladores como condição para participação da Corrida de Robôs da Faculdade Anhanguera de Jundiaí Aprovada em: / /. Prof. Eberval Oliveira Castro (Orientador) Faculdade Anhanguera de Jundiaí / Jundiaí-SP

4 Reunir-se é um começo, permanecer juntos é um progresso, e trabalhar juntos é sucesso. Henry Ford

5 Resumo Este relatório apresenta o projeto Esquadrilha da Morte, desenvolvido ao longo da disciplina de Microprocessadores e Microcontroladores para participação da Corrida de Robôs da Faculdade Anhanguera de Jundiaí O projeto "Esquadrilha da Morte" foi elaborado visando a racionalização no uso dos recursos tanto do ponto de vista econômico quanto ambiental. São apresentados os aspectos mecânicos, eletroeletrônicos e a lógica do sistema desenvolvido, que corresponde a um robô móvel alimentado por bateria, capaz de seguir uma faixa preta em uma superfície branca. Um compartimento de carga foi adicionado visando o transporte da maior carga no menor tempo possível em um percurso predefinido. Palavras-chave: robótica, microcontrolador, educação, engenharia.

6 Abstract This report shows the "squadron of death" project, developed in the lessson of Microprocessors and Microcontrollers for participation in the Robotics Competition of Anhanguera School at Jundiaí "squadron of death" project was developed intending to rationalize the use of resources both economically and environmentally. Presents the mechanical aspects, electronics and logic of the system developed, which corresponds to a battery-powered robot that can follow a black stripe on a white surface. A cargo bay was added in order to transport the heaviest load in the shortest possible time in a predefined route. Keywords: robotics, microcontroller, education, engineering.

7 Lista de figuras Figura 1 Prototipo inicial...12 Figura 2 Opções de robô...13 Figura 3 Estudos de limites de Projetos...13 Figura 4 Blanque para Corte...14 Figura 5 Peça numero Figura 6 Ajuste e pré montagem do Chassi...17 Figura 7 Vista do Projeto e robô final...18 Figura 8 Vistas do Projeto dentro da dimensão...18 Figura 9 Diagrama Elétrico...21 Figura 10 Fluxograma lógico do programa...21

8 Lista de tabelas Tabela 1 Tabela de Programa peça 3 linguagem de máquina...15 Tabela 2 Tabela de Peso das peças do robô...17 Tabela 3 Tabela de dimensões dos componentes do robô...17 Tabela 4 Tabela de Custo total do projeto...19

9 Lista de abreviaturas e siglas CAD CAM CNC Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing Computer Numeric Control

10 Sumário 1 Introdução Objetivo Nome do tópico Metodologia Estrutura do trabalho Projeto mecânico Programa CNC Sistemas de coordenadas Coordenadas absolutas Projeto lógico Projeto elétrico Vantagens do PWM (Pulse Width Modulation) PWM Circuitos Integrados Programação do Robô Conclusões...26 Referências...27 ANEXO A Desenho de conjunto...28

11 11 1 Introdução O projeto aqui apresentado tem seu nome inspirado num desenho muito famoso na década de 80, a corrida maluca e dentro do desenho nos identificamos com a "Esquadrilha da Morte". O protótipo foi desenvolvido visando usar as tecnologias de CAD e CAM e o máximo possível de materiais reciclados e que de baixo impacto ambiental Objetivo O objetivo deste projeto é desenvolver um protótipo de robô móvel autônomo, movida por motores elétricos, alimentado por bateria e microcontrolado, visando vencer a Corrida de Robôs da FAJ. 2 Metodologia Como metodologia de trabalho, definimos os passos abaixo: 1) Estudar as possibilidades de motor, bateria e controle 2) Definir os motores, bateria e placa de controle 3) Projetar a estrutura mecânica do robô 4) Projetar as interfaces eletrônicas do robô 5) Implementar o protótipo 6) Testar o protótipo 2.2 Estrutura do trabalho Após esta introdução, o capítulo 2 mostra o projeto mecânico do protótipo. O capítulo 3 mostra o projeto elétrico; o capítulo 4, o projeto lógico; o capítulo 5 apresenta as medidas de desempenho e testes do protótipo. O capítulo 6 apresenta as conclusões seguidas pelas referências bibliográficas. Ao fim do relatório foram adicionados anexos contendo os orçamentos e lista de materiais usados.

12 12 3 Projeto mecânico Descrição do projeto mecânico Para nosso projeto incial nos partimos definindo o tipo de material que iria ser usado para desenvolver a estrutura, depois de definido o nome do grupo nos precisamos montar um robô que seguice a mesma ideia. Definido o nome do robô compramos os materiais para elaborar o nosso projeto, para se ter uma idéia de dimensional foi montado um prototipo conforme figura 1. Após o dimensionamento dos componentes para a fabricação foram feitos 2 estudos para definir qual modelo a ser trabalhado conforme figura 2. O robô escolhido foi da opção 2 por ter uma distribuição melhor das forças sobre os eixos. Tendo definido o modelo foi feito um estudo de limites dimensionais através do auxilio de programa de 3D (AUTODESK INVENTOR 2012) vide figura 3. Para a manufatura do chassi foi feito um aproveitamento da placa de acrilico conforme figura 4. Para usinar a peça 3 foi feito um programa a partir da geometria do (CAD) e depois foi gerado o programa de Usinagem atráves do ( CAM ) vide tabela 1. Figura 1 Protótipo inicial

13 13 Figura 2 Opções de Robô Figura 3 Estudo dos limites de projeto

14 14 Figura 4 Blanque para corte Figura 5 Peça n 3

15 15 Linha Comando Linha Comando 1 Z3. 45 G1 Z-1.2 F G1 Z-4.8 F G41 Y50.74 F G41 X F G3 X-6. Y48.34 I2.4 J0. 4 G3 X Y I0. J G1 X G1 Y Y X Y Y G3 X Y I-2.4 J0. 8 X Y G40 G1 X X G0 Z G3 X Y4.498 I0. J X-8.4 Y G2 X I-4.5 J0. 55 Z3. 12 G3 X Y9.498 I-5. J0. 56 G1 Z-2.4 F G1 X G41 Y50.74 F X G3 X-6. Y48.34 I2.4 J0. 15 G3 X Y4.498 I0. J G1 X G2 X I-4.5 J0. 60 Y G3 X Y9.498 I-5. J0. 61 Y G1 X G3 X Y I-2.4 J0. 19 X0. Y G40 G1 X G3 X Y I J G0 Z G40 G1 X Y X-8.4 Y G0 Z Z3. 23 X Y G1 Z-3.6 F Z3. 68 G41 Y50.74 F G1 Z-1. F G3 X-6. Y48.34 I2.4 J0. 26 X F G1 X G0 Z Y M5 72 Y M0 73 G3 X Y I-2.4 J0. 30 T1(3 mm broca H2 D2) 74 G40 G1 X G90G54 G0 X Y4.498 S1500 M3 75 G0 Z G43 H2 Z X-8.4 Y G98 G81 Z-8. R3. F Z3. 34 X G1 Z-4.8 F X Y G41 Y50.74 F G80 80 G3 X-6. Y48.34 I2.4 J0. 37 G0Z G1 X M5 82 Y M0 83 Y ( mudar grampo de posiçao ) 84 G3 X Y I-2.4 J0. 41 T1(4 mm topo H1 D1) 85 G40 G1 X G90G54 G0 X-8.4 Y53.14 S1700 M3 86 G0 Z G43 H1 Z M30 44 G0 Z3. Tabela 1- Programa peça 3 Linguagem de máquina

16 Programa CNC Programa é uma seqüência lógica de informações para usinagem de uma peça, escrita através de códigos que o comando da máquina interpreta e, envia os dados necessários para que a máquina execute as operações programadas. 3.2 Sistema de Coordenadas Toda geometria da peça é definida em um sistema de coordenadas cartesianas, definido no plano formado pelo cruzamento de uma linha paralela ao movimento transversal (eixo X ) e outra paralela ao movimento longitudinal (eixo Z ). O movimento da ferramenta é descrito neste plano XZ, em relação a uma origem definida (X0,Z0). Nos tornos CN o eixo X é sempre a medida do diâmetro. A origem (X0,Z0) pode ser estabelecida de duas maneiras diferentes. 3.3 Coordenadas Absolutas Neste sistema a origem do sistema de coordenadas pode ser definida em qualquer ponto da área útil da máquina, de modo a permitir ao programador, liberdade para definição do melhor local para estabelecer a origem do sistema de coordenadas, de acordo com critérios próprios ou de programação definidos de acordo com a aplicação da peça, processo de fabricação ou da matéria prima utilizada. Montagem do Robô Na montagem foi feito ajustes para que as peças se mantenham um alinhamento e o mimino de variação de paralelismo para que o robô mantenha-se na pista o mais alinhado possível conforme figura 6. Peso do robô A competição impõe uma restrição de peso de 1200 g para o robô sem carga.

17 17 It Descrição QT. Peso unit. (kg) Peso total (kg) 1 Arduino UNO 1 0,018 0,018 2 Arduino Shield 1 0,020 0,2 3 Kit 2 Motores c/ redução 1 0,100 0,1 4 Esteira Com Rodas 1 0,150 0,15 5 Sensor com 8 IR 1 0,002 0,002 6 Chassi / Monobloco 1 0,225 0,225 7 Bateria 9v 1 0,1 0,1 8 Elementos de fixação 5 0,002 0,01 9 Peso total 0,805 Tabela 2 Peso das peças do robô. Dimensões físicas It Descrição Dimensões (mm) 1 Arduino UNO 58x56x11,70 2 Arduino Shield 68,5x53x12,70 3 Kit 2 Motores c/ redução 75x49x23 4 Esteira Com Rodas 156x89x4,60 5 Sensor com 8 IR 56x13x3 6 Chassi / Monobloco 156x108x61 Tabela 3 - mostra as dimensões dos componentes usados no robô. Figura 6 Ajuste e pré montagem do chassi

18 18 Figura 7 Vista do projeto e o robô final Figura 8 Vista do robô mecânico dentro dos limites de Projetos.

19 19 It Qtd Produto Preço 1 1 Arduino UNO Rev3 - Original da Itália R$ 75, Arduino Shield 2A Motor Shield R$ 68, Esteira Com Rodas Tamiya R$ 39, Kit Tamiya Dois Motores com Caixa de Redução R$ 45, Sensor de Refletância com 8 IR Analógico R$ 55, Frete (e-sedex R$ 16, Bateria 9v R$ 14,80 Total R$ 313,35 Tabela 4 Custo do Projeto. 4 Projeto lógico O Arduino é uma plataforma que foi criada para suprir a demanda do hobbyista ou entusiasta de eletrônica que gostaria de uma forma barata e mais fácil de usar e programar microcontroladores para seus circuitos mais complexos. Com o Arduino, aqueles que já têm algum conhecimento mínimo de programação têm um equipamento prático de utilizar sem exigir grandes conhecimentos de eletrônica; outros que conhecem eletrônica têm uma plataforma fácil de realizar uma interação de alto nível; e alguns que não têm conhecimento nenhum, podem partir do zero e chegar a algo funcional com facilidade.

20 20 A figura abaixo mostra o fluxograma com a lógica do programa implementado construído usando o software Dia. Figura 10 Fluxograma lógico do programa. Inserir explicações detalhadas sobre a programação. PWM é a abreviação de Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso. Para que se entenda como funciona esta tecnologia no controle de potência, partimos de um circuito imaginário formado por um interruptor de ação muito rápida e uma carga que deve ser controlada, de acordo com a figura 11. Figura 11 Exemplo de controle de corrente na carga.

21 21 5 Projeto Elétrico Figura 9 Diagrama elétrico. 5.1 VANTAGENS DO PWM Na operação de um controle por PWM existem diversas vantagens a serem consideradas e alguns pontos para os quais o projetista deve ficar atento para não jogar fora estas vantagens. Na condição de aberto, nenhuma corrente circula pelo dispositivo de controle e, portanto, sua dissipação é nula. Na condição de fechado, teoricamente, se ele apresenta uma resistência nula, a queda de tensão é nula, e ele não dissipa também nenhuma potência. Isso significa que, na teoria, os controles PWM não dissipam potência alguma e, portanto, consistem em soluções ideais para este tipo de aplicação. Na prática, entretanto, isso não ocorre. Em primeiro lugar, os dispositivos usados no controle não são capazes de abrir e fechar o circuito num tempo infinitamente pequeno. Eles precisam de um tempo para mudar de estado e, neste intervalo de tempo, sua resistência sobe de um valor muito pequeno até infinito e vice-versa.

22 CIRCUITOS INTEGRADOS Para implementação de controles PWM existem muitos circuitos integrados especiais, alguns deles incluindo as etapas de potência e até mesmo circuitos de pontes H para reversão de sentido. Um circuito integrado bastante popular neste tipo de aplicação é o LMD18200, da National, que consiste numa ponte H com controle PWM para cargas de 3 A e tensões de até 55 V. 5.3 PROGRAMAÇÃO DO ROBÔ // Faculdade Anhanguera de Jundiaí // Curso de Engenharia Elétrica / Computação // Disciplina: Microprocessadores e Microcontroladores // Equipe: Esquadrilha da morte // Wagner Augusto Bueno de Souza RA: // Paulo Jose da Silva RA: // Denilson Manzato RA: // João Felipe Lopes de Oliveira RA: // Flávio Salmi Scarazzato RA: // Francisco Ricardo Leardine RA: // Orientador: Prof. Eberval Castro // Data: 13/11/2012 // Programa para controle de robô móvel, seguidor de linha // Arduino UNO + Motor Shield L298P + 2 sensores analógicos // Estratégia: 2 sensores na linha // Pinagem ******************************** int SENSOR_DIREITO = 0; int SENSOR_ESQUERDO = 1;

23 23 int MOTOR_DIR_S = 4; int MOTOR_ESQ_S = 7; int MOTOR_DIR_PWM = 5; int MOTOR_ESQ_PWM = 6; // ******************************* Pinagem int sd, se; // armazena os estados dos sensores; void mover_frente(int vel) { digitalwrite(motor_dir_s, LOW); digitalwrite(motor_esq_s, LOW); analogwrite(motor_dir_pwm, 255); analogwrite(motor_esq_pwm, 255); } void mover_esq(int vel) { digitalwrite(motor_dir_s, LOW); digitalwrite(motor_esq_s, LOW); analogwrite(motor_dir_pwm, 100 ); analogwrite(motor_esq_pwm, 255); } void mover_dir(int vel) { digitalwrite(motor_dir_s, LOW); digitalwrite(motor_esq_s, LOW); analogwrite(motor_dir_pwm, 255); analogwrite(motor_esq_pwm, 100); }

24 24 void mover_tras(int vel) { digitalwrite(motor_dir_s, HIGH); digitalwrite(motor_esq_s, HIGH); analogwrite(motor_dir_pwm, 200); analogwrite(motor_esq_pwm, 200); } // setup() é executada apenas uma vez no início void setup() { // Configura os modos de operação das portas digitais pinmode(motor_dir_s, OUTPUT); pinmode(motor_esq_s, OUTPUT); pinmode(motor_dir_pwm, OUTPUT); pinmode(motor_esq_pwm, OUTPUT); Serial.begin(9600); } delay(2000); // tempo em milissegundos // loop() é executada após setup() como um laço de repetição void loop() { // Leitura das entradas sd = analogread(sensor_direito); se = analogread(sensor_esquerdo); Serial.println(sd); Serial.println(se); if (se > 200 && sd > 200) {

25 25 } mover_frente(200); } else if (se >= 200 && sd < 200) { mover_dir(200); } else if (se < 200 && sd >= 200) { mover_esq(200); } else { mover_tras(150); } *************************************************************************************************

26 26 6 Conclusão Para testar nosso robô montamos uma pista e colocamos fita isolante preta para servir de caminho. Ligamos o robô e aproximamos ele da pista para testar os sensores e o motor. Este projeto comprova que podemos desenvolver um robô que seja programável empregando apenas alguns conceitos de mocrocontrolador e microprocessador. Em nossos testes obitivemos bons resultados com os sensores posicionados a uma distância de 1 cm do solo.

27 27 Referências FSF. Free Software Foundation. Disponível online em: < Acesso em jun EATON, J.W. Octave. Disponível online em: < Acesso em jun OCTAVE-FOURGE. Extra packages for GNU Octave. Disponível online em: < Acesso em jun MATHWORKS, The. Hard-disk read/write head controller. Disponível online em: < esk/help/toolbox/control/& Acesso em jun CASEBOLT, Tarmigan. Zgrid: Plots the locus of constant damping and natural frequencies for the discrete root locus. Disponível online em: < octave-maintainers/attachments/ /c7172a17/ attachment.obj>. Acesso em Agosto Publicado em OGATA, Katsuhiko. Sistemas de controle moderno. São Paulo: Pearson, 2005.

28 28 ANEXO A DESENHO DE CONJUNTO ANEXO B POSTER DO ROBÔ

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30 Corrida de Robôs da Faculdade Anhanguera de Jundiaí 2012 Robô Esquadrilha da Morte Turma de Engenharia Elétrica 8 Semestre Orientador Prof. Msc. Eberval Oliveira Castro João Felipe Sc Fláv ara io zz ato r a o o d eir c a t liv s e i n c ie l O n in r a r rd O va F a r e e L Eb Pa Sil ulo va Denilson Manzato Wa gne Sou r za O projeto "Esquadrilha da Morte" foi elaborado visando a racionalização no uso dos recursos tanto do ponto de vista econômico quanto ambiental. São apresentados os aspectos mecânicos, eletroeletrônicos e a lógica do sistema desenvolvido, que corresponde a um robô móvel alimentado por bateria, capaz de seguir uma faixa preta em uma superfície branca. Um compartimento de carga foi adicionado visando o transporte da maior carga no menor tempo possível em um percurso predefinido.

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