MONTAGEM E SISTEMAS DE CONTROLE DE UM SEGWAY COM KIT LEGO

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1 FACULDADES NETWORK ENGENHARIA MECATRONICA MONTAGEM E SISTEMAS DE CONTROLE DE UM SEGWAY COM KIT LEGO CAIO GABRIEL ZANOTTO DOUGLA ALMEIDA FABIO COSTA HANIEL GARCIA SUMARÉ, ABRIL DE 2015 FACULDADES NETWORK

2 ENGENHARIA MECATRONICA CAIO GABRIEL ZANOTTO DOUGLA ALMEIDA FABIO COSTA HANIEL GARCIA MONTAGEM E SISTEMAS DE CONTROLE DE UM SEGWAY COM KIT LEGO SUMARÉ, ABRIL DE INTRODUÇÃO

3 1.1 SISTEMA DE CONTROLE Um sistema de controle é um conjunto de componentes organizados de forma a conseguir a resposta desejada de um sistema. A base da análise de um sistema é a fundação provida pela teoria de sistemas lineares. Existe um processo a ser controlado e uma relação entre entrada e saída do sistema. Representação em diagrama de blocos: Fluxograma de Controle Engenharia de sistemas de controle se preocupa com compreensão e controle de segmentos do seu ambiente, geralmente, chamados de sistemas, para prover produtos econômicos para a sociedade. A isso podemos acrescentar: Produtos econômicos, estáveis e robustos, preocupa-se também, com sistemas verdes. Compreensão e controle exigem que os sistemas sejam modelados. Pior, há casos onde precisamos considerar o controle de sistemas pouco compreendidos. O desafio para a engenharia de controle é modelar e controlar sistemas modernos, complexos, como sistemas de controle de tráfego, controle de processos químicos e sistemas robóticos. Um sistema de controle consiste de subsistemas e processos agrupados, com o propósito de obter uma saída desejada com um desempenho desejado, dada uma entrada específica.

4 2. HISTORICO DA TEORIA MATEMÁTICA DE CONTROLE G.B.Airy (1840) O primeiro a discutir instabilidade em um sistema de controle com re-alimentação O primeiro a analisar tais sistemas através de equações diferenciais J.C.Maxwell (1868) O primeiro estudo sistemático da estabilidade de um sistema de controle com realimentação E.J.Routh (1877) Definiu critérios de estabilidade para sistema lineares. A.M.Lyapunov (1892) Definiu critérios de estabilidade para equações diferenciais lineares e não-lineares Resultados só introduzidos na teoria de controle em H.Nyquist (1932) Surgimento dos métodos clássicos de controle Desenvolveu um procedimento simples para determinar estabilidade a partir de uma representação gráfica da resposta em frequência. H.W.Bode (1945) Método de Resposta em Frequência. W.R.Evans (1948) Método do Local das Raízes. 3. ELEMENTOS BÁSICOS DE UM SISTEMA DE CONTROLE.

5 Planta Variável de Controle Valor Esperado Controlador Atuador Sensor Distúrbio 4. DIAGRAMA DE BLOCOS DE SISTEMA DE CONTROLE

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7 Engenharia de controle envolve: Teoria de re-alimentação (ou retro-alimentação) Sistemas Lineares Teoria de Redes Teoria de Comunicações Aplicável a qualquer engenharia. Como vimos, um sistema de controle é um conjunto de componentes formando a configuração de um sistema que irá prover uma determinada resposta.

8 Em geral, sistemas de malha fechada são mais precisos do que sistemas de malha aberta. São menos sensíveis a ruído, perturbações e mudanças no ambiente. No entanto, os sistemas de malha fechada são mais complexos e custosos do que os de malha aberta. Imagine um sistema para uma torradeira: Em um sistema de malha aberta, a torradeira simplesmente considera a torrada pronta quando a temperatura atinge um grau X Em um sistema de malha aberta, a torradeira pode analisar, além da temperatura, a cor da torrada, concluindo assim se ela está pronta ou não. 5. LABORATORIO DE ROBÓTICA: LEGO MINDSTORMS EV3 O Lego Mindstorms EV3 mais se parece com um brinquedo, e é utilizado amplamente em todo o mundo por escolas, universidades, e mesmo por crianças. Na verdade ele é um kit de robô programável, voltado para a educação tecnológica, lançado pela Lego em Julho de 2006, substituindo a primeira geração do kit Lego Mindstorms. O nosso kit é composto por servomotores, sensores (toque, som, luz e ultrassom), cabos para conexões com motores e sensores, um cabo para interface USB, o Brick Inteligente EV3, que é o corpo central do robô, bateria recarregável, base giratória, rodinhas com pneus e várias peças conhecidas como Lego Technic, como blocos, vigas, eixos, rodas, engrenagens e polias.

9 6. EXPLICANDO OS SENSORES Os sensores biológicos do nosso corpo são células especializadas que são sensíveis a temperatura, luminosidade, vibração, toxinas, hormônios, proteínas, entre outros. No caso dos nossos robôs, podemos pegar a definição do dicionário: "Designação comum de dispositivos elétricos, eletrônicos, mecânicos ou biológicos capazes de responder a estímulos de natureza física (temperatura, pressão, umidade, velocidade, aceleração, luminosidade e etc.). São utilizados em sistemas de controle e monitoramento." No nosso kit temos quatro sensores: o de luz, o de toque, o de ultrassom e o de som. SENSOR DE LUZ O sensor de luz é um dos dois sensores que dá visão ao robô (o sensor de ultrassom é o outro). É ele que permite que o robô distinga entre claro e escuro, branco e preto. Ele pode ler a intensidade de luz numa sala e pode medir a intensidade de luz em superfícies coloridas. SENSOR DE TOQUE O sensor de toque concede ao robô o sentido do tato. Ele detecta quando o botão do sensor está sendo pressionado, indicando que está em contato com alguma coisa, e também quando ele é liberado. SENSOR DE ULTRASSOM Permite que o robô "veja" e passe a detectar onde os objetos estão. Você pode usálo para fazer o robô evitar obstáculos, detectar e medir a distância, e detectar movimentos. O sensor de ultrassom mede distâncias em centímetros e em polegadas. Ele é capaz de medir distâncias de 0 a 255 centímetros com uma precisão de +/- 3 cm. Ele usa a mesma técnica que os morcegos usam: ele consegue medir a distância calculando o tempo que leva para uma onda sonora bater em um objeto e retornar como se fosse um eco. Os objetos maiores com superfícies duras retornam melhores leituras. Enquanto que objetos feitos de tecido macio ou que possuem curvas (como uma bola) ou que são muito finos e pequenos podem ser difíceis para o sensor detectar. SENSOR DE SOM O sensor de som faz com que seu robô ouça! O sensor de som pode detectar tanto decibéis (db) quanto decibel ajustado (dba). Um decibel é uma medida da pressão do som. No modo dba a sensibilidade do sensor de som é ajustada para a sensibilidade dos ouvidos humanos. Em outras palavras, são os sons que os seus ouvidos são capazes de ouvir. Na medição de decibéis padrão todos os sons são medidos com a mesma sensibilidade. Deste modo, estes sons podem ser muito altos ou muito baixos para serem

10 ouvidos por nossos ouvidos. O sensor de som pode medir níveis de pressão de som de até 90 db o mesmo produzido por uma roçadeira de gramas. Níveis de pressão sonora são muito complexos, então as leituras do sensor de som são mostradas no visor em percentagens (%). Quanto menor for o valor, mais calmo é o ambiente. Por exemplo: 5% - é como uma sala de estar silenciosa; 10% - seria como uma pessoa conversando um pouco distante; 10-30% - é como uma conversação normal próxima ao sensor, ou uma música tocando em um volume normal; % - é como pessoas gritando ou uma música sendo tocada em volume alto. 7. MONTAGEM NO LABORATORIO: SEGWAY EV3 O robô EV3, da linha LEGO Mindstorms, pode ser construído de cinco maneiras diferentes. Ele se conecta à internet e é dotado de USB, leitor de cartão SD, autofalante, memória de 16MB, sensor infravermelho de movimentos e controle remoto. Sensores do Kit No laboratório, realizamos a montagem do SEGWAY, que é uma das opções que a LEGO traz em seus esquemas de montagem.

11 Programa Realizado na Aula

12 Segway 8. BIBLIOGRAFIA Control Systems Engineering, Norman Nise, 6ª edição, 2011 Sistemas de Controle Modernos, Richard Dorf e Robert Bishop, 12ª edição, 2013 Engenharia de Controle Moderno, Katsuhiko Ogata, 5ª edição, 2011