PROTÓTIPO DE VEÍCULO AUTÔNOMO PARA MAPEAMENTO DE CURVAS DE NÍVEL DE UM TERRENO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Edmilson Ferreira de Araújo Junior PROTÓTIPO DE VEÍCULO AUTÔNOMO PARA MAPEAMENTO DE CURVAS DE NÍVEL DE UM TERRENO Juazeiro - BA 2017

2 Edmilson Ferreira de Araújo Junior PROTÓTIPO DE VEÍCULO AUTÔNOMO PARA MAPEAMENTO DE CURVAS DE NÍVEL DE UM TERRENO Trabalho apresentado à Universidade Federal do Vale do São Francisco UNIVASF, campus Juazeiro, como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Eduard Montgomery Meira Costa. Juazeiro - BA 2017

3 F383p Ferreira, Edmilson de Araújo Junior. Protótipo de veículo autônomo para mapeamento de curvas de nível de um terreno / Edmilson Ferreira de Araújo Junior. Juazeiro, XII, 58 f. : il. ; 29 cm. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) Universidade Federal do Vale do São Francisco, Campus Juazeiro, Juazeiro-BA, Orientador: Prof. Dr. Eduard Montgomery Meira Costa. Referências. 1. Terraplenagem. 2. Topografia. 3.Veículos autônomos. 4. Sistemas microcontrolados. I. Título. II. Costa, Eduard Montgomery Meira. III. Universidade Federal do Vale do São Francisco. CDD

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5 Declaração de Conformidade Eu, EDMILSON FERREIRA DE ARAUJO JUNIOR, declaro que este Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) intitulado: PROTÓTIPO DE VEÍCULO AUTÔNOMO PARA MAPEAMENTO DE CURVAS DE NÍVEL DE UM TERRENO é de minha autoria e confirmo que: 1. Nenhuma parte deste trabalho foi submetida a nenhum tipo avaliação de qualificação nesta ou em qualquer outra Universidade; 2. Todas as obras, artigos e/ou divulgações, de qualquer natureza, de outros autores ou de co-autoria utilizadas para elaboração deste trabalho têm seus créditos devidamente atribuídos; 3. A versão denominada versão final, contém as solicitações de correção exigidas pela Banca Examinadora por ocasião da defesa deste trabalho, e atende as normas contidas no Manual de Normatização de Trabalhos Acadêmicos da UNIVASF em vigor. Juazeiro 24 de maio de Edmilson Ferreira de Araújo Junior Matrícula:

6 Dedico este trabalho a minha família, meus pais, meu irmão, aos meus amigos, a todos que enxergaram meu potencial e minha determinação.

7 AGRADECIMENTOS A Deus, pelas oportunidades recebidas, por ser um companheiro nas horas mais solitárias e difíceis, pelo discernimento para enfrentar tudo isso. Aos meus pais, Edmilson e Ceiça, pelo carinho e pelos ensinamentos, por terem sempre me incentivado e mostrado a importância de estudar e lutar pelo melhor, pela compreensão e pelo companheirismo em todos os momentos, sem isso nada seria possível. Ao meu avô Sebastião, pelo companheirismo, pela amizade e pelos ensinamentos no começo dessa longa jornada. Ao meu irmão Éder, pela companhia nesse período difícil longe de casa, que ele também possa tirar lições e ensinamentos de tudo isso. Ao meu professor de matemática do ensino médio, Olavo Otávio, pessoa que admiro muito e que me fez despertar e ter a certeza da vocação para as ciências exatas. Ao meu primeiro professor de cálculo, Marco Gameiro, profissional e pessoa de conhecimento excepcional, responsável por me apresentar a Engenharia Elétrica. Aos meus amigos de infância, aos amigos que fiz por onde passei, que compartilharam das minhas experiências e objetivos, e que estão comigo até hoje. Ao meu amigo Manuel Alexandre, por ter me orientado na escolha da UNIVASF e ajudado nos momentos e processos iniciais do curso. Aos meus amigos da UNIVASF, amigos de curso, amigos da Engenharia da Computação, pela companhia e amizade ao decorrer dessa caminhada, e por todos os momentos especiais que dividimos juntos. Aos meus amigos, Ezequiel e Juliana, pelo companheirismo e amizade verdadeira ao longo do curso e da vida, pelos ensinamentos, conselhos e inspirações que suas condutas exemplares provocaram em minha vida acadêmica e pessoal. Aos meus amigos, João e Matias, pelo companheirismo e amizade sincera, por estarem comigo dividindo a rotina, as dificuldades desta caminhada, pelos conselhos e orientações para a finalização desse trabalho. Ao professor Rodrigo Ramos, profissional e pessoa exemplar, por sempre diminuir a distância existente na universidade entre alunos e professores, pela compreensão que contribui para um melhor desempenho, entendimento e sucesso dos alunos.

8 Ao meu orientador, professor Eduard Montgomery, que contribuiu para a criação desse trabalho, pelas oportunidades oferecidas, pelos conselhos e ensinamentos de grande valor. Aos professores do curso, que de forma direta ou indiretamente contribuíram para a minha formação e consequentemente a realização desse trabalho.

9 Segundo W. J. Wilmont Buxton, escritor inglês, nenhuma grande obra é feita com pressa. Desenvolver uma grande descoberta científica, pintar um grande quadro, escrever um poema imortal, tornar-se um ministro ou um general famoso, fazer qualquer coisa grande requer tempo, paciência e perseverança. Estas coisas são feitas gradualmente, pouco a pouco. Milton não escreveu Paradise Lost numa sessão, nem Shakespeare compôs Hamlet em um dia. Os maiores escritores devem começar com o alfabeto, os músicos mais famosos uma vez pegaram suas notas laboriosamente. Uma criança deve aprender a desenhar uma linha reta antes que possa se transformar em um Ticiano ou um Michelangelo.

10 RESUMO Neste trabalho apresenta-se a construção de um protótipo para medição de alturas de um relevo, as curvas de nível, fazendo uso de um veículo autônomo com um pêndulo acoplado a um potenciômetro. O pêndulo em conjunto com uma plataforma microcontrolada, controlam todo o sistema, manipulam os dados medidos, e torna possível o desenvolvimento de um gráfico em um ambiente computacional. Para isso, fez-se necessário o uso de um sistema embarcado, necessário para se realizar o processamento e aquisição dos dados. Como o veículo tem funcionamento autônomo em tempo real, fez-se importante um bom projeto da lógica embarcada, proporcionando uma maior confiabilidade, melhor desempenho na aquisição das medidas e consequentemente das ações tomadas ao longo do percurso. O trabalho em questão tem impacto direto na área de Topografia e Terraplenagem, facilitando e automatizando as funções e métodos de estudo utilizados nos dias de hoje, mostrando resultados com eficácia e confiabilidade. Palavras-chave: Topografia. Terraplenagem. Veículos autônomos. Sistemas microcontrolados.

11 ABSTRACT This work presents a construction of a prototype for the measurement of relief heights, such as contour curves, making use of a stand-alone vehicle with a pendulum coupled to a potentiometer. The pendulum in conjunction with a microcontrolled platform, system-wide control, manipulation of measured data, and makes possible the development of a graph in a computational environment. For this, it was necessary to use an embedded system, necessary to perform the data processing and acquisition. How an autonomous system works in real time is important for the design of the embedded logic, providing greater reliability, better performance in the acquisition of measures and consequently the actions taken in the long run of the course. The work in question has a direct impact in the area of Topography and Earthworks, facilitating and automating the functions and methods of study used today, showing results with efficiency and reliability. Keywords: Topography. Earthworks. Autonomous Vehicles. Microcontrolled Systems.

12 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Visão geral do protótipo Figura 2- Efeito da curvatura da terra no levantamento topográfico Figura 3 - Representação das curvas de nível Figura 4 - Coordenadas cartesianas, sistema bidimensional Figura 5 - Coordenadas cartesianas, sistema tridimensional Figura 6 - Visão geral do processo de terraplenagem Figura 7 - Linhas aéreas de transmissão Figura 8 - Visão geral de um sistema embarcado Figura 9 - Carro autônomo da Google Figura 10 - Arduino Uno Figura 11 - Sensoriamento por interrupção Figura 12 - Sensoriamento por furo Figura 13 - Ação dos campos magnéticos no motor cc Figura 14 - Modulação PWM Figura 15 - Esquema do circuito ponte H Figura 16 - Esquematização das medidas de altura Figura 17 - Potenciômetro de 10k usado no pêndulo Figura 18 - Visão geral do Arduino nano v3 acoplado a placa de protoboard Figura 19 - CI C Figura 20 - Arduino software Figura 21 - Módulo cartão Shield SD Figura 22 - Chassi 2wd Figura 23 - Par de motores CC Figura 24 - Disco de "Encoder" Figura 25 - Esquema de funcionamento do disco de "encoder" Figura 26 - Driver Ponte H L298N Figura 27 - Módulo ponte H L298N Figura 28 - Diagrama de blocos CI298N Figura 29 - Esquema de ligação e interconexão dos componentes do sistema Figura 30 - Esquema geral de navegação do protótipo Figura 31 - Esquema do terreno para medição Figura 32 - Fotografia do terreno real Figura 33 - Visão geral do arquivo de leituras Figura 34 - Tabela com os dados Figura 35 - Protótipo finalizado Figura 36 - Gráfico da subida Figura 37 - Gráfico da subida Figura 38 - Gráfico da subida Figura 39 - Gráfico da descida Figura 40 - Gráfico da descida Figura 41 Esquema do terreno em forma trapezoidal Figura 42 - Gráfico da simulação de trapézio... 64

13 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Principais características do Arduino nano Tabela 2 - Principais especificações do Shield SD Tabela 3 - Principais especificações do motor CC Tabela 4 - Principais especificações do Módulo ponte H Tabela 5 - Função dos Pinos do CI298N... 52

14 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS DER ABNT COELCE LDR PWM CC IDE Departamento de Estradas e Rodagens Associação Brasileira de Normas Técnicas Companhia Energética do Ceará Light Dependent Resistor Pulse Width Modulation Corrente Contínua Integrated Development Environment

15 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Objetivo geral Objetivo específico Organização do trabalho FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Topografia Curvas de nível Sistemas de coordenadas Terraplenagem Linhas de transmissão de energia Sistemas embarcados Veículos autônomos Plataforma de prototipagem microcontrolada Sensores Sensor óptico Controle de Motores CC Motores CC Modulação por largura de pulsos (PWM) MATERIAIS E MÉTODOS Descrição geral do sistema Tecnologia utilizada Pêndulo e sensor de inclinação Plataforma microcontrolada Sensor óptico Arduino Software Armazenamento dos dados Chassi com Motores CC Motores CC Módulo de potência Esquema de ligação e interconexão dos componentes Acionamento do sistema... 54

16 3.4 Ambiente e Processo de medição Aquisição e Processamento dos Dados RESULTADOS E DISCUSSÕES Protótipo Finalizado Resultados gráficos Análises gráficas e erros do sistema de medição CONCLUSÃO Trabalhos futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 68

17 14 1. INTRODUÇÃO Desde as épocas primitivas, com o aprimoramento e a evolução das relações humanas, o aumento de sua complexidade, o desenvolvimento da agricultura e o quase fim do modo de vida nômade, observou-se a necessidade do Homem em demarcar sua posição, firmar raízes e expandir o seu domínio. Mesmo sem saber, ele já utilizava diversas técnicas que dariam origem as mais variadas ciências e vertentes do conhecimento, e dentre elas, estava a Topografia. No sentido etimológico, o prefixo Topo significa lugar e o sufixo Grafia significa descrição, ou seja, descrição do lugar. A Topografia é a ciência que estuda e que é responsável pela representação cotada de uma superfície ou configuração de um solo, sem levar em consideração efeitos de curvatura do globo, expondo os mais variados detalhes em níveis dessa superfície (BORGES, 2004). Para isso ela utiliza os mais variados instrumentos, métodos de levantamento de dados, cálculos e desenhos para representar da forma mais detalhada possível a parte da superfície em estudo, que podem ser naturais (vales, montanhas, florestas, rios, campos, etc.) ou artificiais (pontes, estradas, linhas de transmissão de energia elétrica, vilas, etc.) (DOUBEK, 1989). Relatos e estudos indicam que a Topografia teve seu início no antigo Egito, quando comunidades que viviam próximo ao rio Nilo enfrentavam problemas com inundações de terras e de vilas inteiras. Assim, surgiu a necessidade de demarcar as terras para evitar transtornos com as cheias do rio, e também para aproveitar melhor o solo na agricultura nos períodos de baixo volume de água. Alguns anos depois, os egípcios já utilizavam técnicas de prumo e de nível de construção, o que possibilitava um alinhamento vertical e consequentemente a criação de estruturas mais altas e com maior estabilidade (BORGES, 2004). Desta forma, o Homem foi descobrindo e melhorando suas técnicas e seus métodos de marcação e construção, padronizando medidas e elaborando mapas e desenvolvendo instrumentos. Equipamentos como o astrolábio, um instrumento naval usado para medir principalmente a altura dos astros acima do horizonte, é considerado o antecessor do teodolito, foram exemplos dessa evolução.

18 15 No Brasil, país com um vasto território e que possui as mais variadas formas de relevo e de vegetação, a topografia é comumente usada na construção civil. Principalmente na construção de estradas, que são as principais formas de ligação de um ponto a outro no país. As rodovias são de vital importância para o deslocamento de pessoas e escoamento de produtos manufaturados e alimentícios, também são as principais vias de transporte, isso se dá devido a pouca atenção e investimento na estrutura ferroviária e marítima, e essa continuará sendo a tendência, pois os investimentos nos outros meios de transporte ainda são pequenos (BORGES, 2004). Com levantamento de dados do terreno e seu relevo, pode-se avaliar os melhores traçados reduzindo os custos com o volume de terra movimentado, além de verificar o nível de inclinação para escoamento, nivelamento de construções e edificações, dentre outros (ESPATEL, 1987). Outra aplicação importante e bastante usada no Brasil para a Topografia é a implantação de linhas de transmissão de energia. As dimensões territoriais continentais e a grande diversidade geográfica são alguns dos problemas enfrentados para o desenvolvimento das linhas de transmissão de energia elétrica. E a Topografia vem para fornecer mais possibilidades e alternativas viáveis para os projetos, ajudando a levar energia elétrica para as mais variadas e remotas regiões do país. Diante do exposto, a abordagem principal deste trabalho é desenvolver um protótipo capaz de monitorar a operação topográfica e melhorar a produtividade da equipe de campo, seja para aperfeiçoar os custos dos serviços ou os prazos de execução. O sistema embarcado será responsável pelo controle do veículo autônomo, nas linhas específicas de medição, os dados da inclinação e distância percorrida pelo carrinho serão trabalhados no computador, as dimensões do terreno são previamente conhecidas e inseridas no código de navegação. Todo o procedimento será armazenado em memória de um cartão SD, e posteriormente analisado no software MATLAB para traçar as curvas de nível. É importante ressaltar que o protótipo a ser desenvolvido poderá ser utilizado em experimentos que envolvam terrenos nivelados, como também em inclinações nos quais um terreno ou superfície possam apresentar além das mais variadas utilidades no campo da topografia. A Figura 1 ilustra uma visão geral do protótipo usado no trabalho.

19 16 Figura 1 - Visão geral do protótipo Fonte: (AUTOR, 2016) 1.1 Objetivo geral Este trabalho visa implementar e executar um protótipo de um veículo autônomo para o mapeamento de curvas de nível de uma superfície qualquer, nivelada ou não. O protótipo será composto de um sensor de angulação, implementado na forma de um pêndulo, adaptado em um carrinho de prototipagem comercial, que irá medir a inclinação do carrinho em determinados pontos do terreno. Além da inclinação, também serão captadas medidas de distância percorrida pelo carrinho e medidas de altura que o mesmo se encontra em determinados pontos do terreno. Todas essas leituras serão processadas pela plataforma microcontrolada Arduino e serão armazenadas em um cartão de memória micro SD. Em seguida esses dados serão processados e analisados em um ambiente computacional, que irá mapear e plotar em forma de gráfico as curvas de nível, externando uma representação aproximada do terreno que o protótipo percorreu. Por fim, realiza-se uma comparação entre a representação gráfica e a imagem do terreno real, como o objetivo de minimizar os erros de representação.

20 Objetivo específico Projetar e implementar um sensor de inclinação a partir de um pêndulo associado a um potenciômetro; Desenvolver e implementar uma lógica de programação para que o veículo tenha controle autônomo e possa se deslocar por toda área desejada, e também que esses dados de leitura do potenciômetro sejam manipulados pela plataforma do microcontrolador (Arduino); Desenvolver e implementar um sensor óptico que analisará a quantidade de voltas de uma das rodas do protótipo, para que seja registrado a distância percorrida pelo mesmo, e assim se comunicar com a plataforma do microcontrolador para que o mesmo faça leituras na distância certa percorrida. Manipular os dados adquiridos para que os mesmos sejam salvos em um cartão micro SD, que se comunicará com a plataforma do microcontrolador. Desenvolver em software, um gráfico das curvas de nível, a partir dos dados do cartão SD, que mostre de forma mais real possível a área percorrida pelo veículo. 1.3 Organização do trabalho O trabalho é formado por cinco capítulos, os quais se compõem da seguinte maneira: O Capítulo 1 apresenta o contexto em que o trabalho está inserido e sua relevância para a Topografia. Além de descrever os objetivos gerais e específicos que o trabalho agrega. O Capítulo 2 enaltece a fundamentação teórica, os principais temas e assuntos abordados que constituíram a base do trabalho. O Capítulo 3 traz o desenvolvimento dos materiais e métodos utilizados como base e suporte para a implementação do trabalho, como também os principais componentes e materiais usados. O Capítulo 4 contém os resultados e discussões das provocações propostas.

21 18 O Capítulo 5 contempla as conclusões adquiridas com o experimento, como também as contribuições que o trabalho pode fornecer para estudos futuros nas mais variadas áreas.

22 19 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A fundamentação teórica engloba uma parte substancial do trabalho, onde estão contidos os principais apontamentos e o detalhamento do estudo, que foram moldados por uma base teórica, uma relevante revisão bibliográfica e por experimentos e simulações que deram ao trabalho um valor acadêmico expressivo. 2.1 Topografia Curvas de nível Como já dito anteriormente, a ciência da Topografia tem por objetivo estudar os instrumentos e os métodos utilizados para representar uma determinada superfície terrestre ou uma porção de solo. Desta maneira, sua importância para outras ciências pode ser evidenciada por obras de Engenharia, Agronomia, e Arquitetura mediante estudos prévios. Construção civil, urbanismo, agricultura e silvicultura são exemplos de áreas do conhecimento que demandam de estudos topográficos bem elaborados. Assim, ao se projetar qualquer obra nessas áreas do conhecimento, é preciso um levantamento topográfico da área ou lugar onde a mesma será implantada. Com isso vem à importância e a relevância de se realizar estudos e medições com razoável confiabilidade. Bons métodos de estudo e instrumentos calibrados dentro dos termos de padronização são imprescindíveis (DOUBEK, 1989). Em seguida, para se executar a obra que foi projetada em planta, faz-se a mudança dos elementos dispostos na planta do projeto para a superfície ou terreno específico. Na Topografia, esse procedimento de transporte é chamado de Locação (BRINKER; WOLF, 1977). A Topografia, assim como outras ciências, se aproveita de certas condições que tornam o trabalho mais adaptável, sem tirar relevância do estudo ou confiabilidade. Todas as medidas e marcações em um estudo topográfico são feitas sem considerar a curvatura da terra, que dependendo das extensões da superfície utilizada no projeto, podem influenciar bastante na veracidade das medidas

23 20 (ESPATEL, 1987). Por isso devem-se apresentar dados, avaliar a extensão máxima dos levantamentos sem apresentar erros relevantes e apreciáveis (ABNT, 1994). A Figura 2 retrata uma visão geral de como um levantamento topográfico enfrenta dificuldades na medição. Figura 2- Efeito da curvatura da terra no levantamento topográfico Fonte: No caso de estudos de construção de linhas de transmissão (rodovias, ferrovias, energia elétrica, etc.), onde o comprimento excede em muito a largura, o erro encontrado deve ser levado em consideração para uma melhor confiabilidade e implementação do projeto (BORGES, 2004). Graficamente, a maneira de se representar as irregularidades, o relevo de uma determinada superfície ou terreno, é através das curvas de nível. As curvas de nível são linhas que contornam os elementos do relevo designando sua correspondente altura naquele ponto. Geralmente uma representação usa o nível médio do mar como referência para traçar as curvas de nível com traços mais grossos, essas são as chamadas curvas mestras. Com a elevação da altura, as linhas vão ficando mais finas (BORGES, 2004).

24 21 As linhas das curvas de nível são sempre paralelas entre si, uma linha mestra jamais se cruzará com outras linhas, visto que cada linha tem sua correspondente altura. Por exemplo, para representar uma montanha, usam-se as linhas mestras como referência e aí vamos representando linhas paralelas internas ao desenho, cada uma representado uma determinada altura. A Figura 3 representa uma visão geral do esquema das curvas de nível. Figura 3 - Representação das curvas de nível Fonte: Analisando as linhas na representação plana, podemos concluir que se as linhas estiverem muito próximas umas das outras, significa que o terreno em estudo é muito acidentado, com declives bastante acentuados. Como cada linha tem sua altura correspondente, a representação pode evidenciar tanto uma elevação do terreno, uma montanha, por exemplo, quando as linhas com alturas maiores estão no centro do desenho, quanto uma depressão, quando as linhas com alturas maiores estão nas extremidades do desenho (DOUBEK, 1989).

25 Sistemas de coordenadas A determinação e representação de pontos que irão definir o estudo topográfico são feitas a partir de um sistema de coordenadas. Basicamente, dois tipos de representação em sistemas de coordenadas são usados para definição tridimensional dos pontos, o sistema de coordenadas cartesianas e o sistema esférico (VEIGA et al, 2012). Na representação de um ponto, o que se faz é atribuir valores de coordenadas ao mesmo. Essa representação pode ser no espaço bidimensional ou tridimensional, o bidimensional é o sistema de eixos ortogonais no plano representado pelos eixos X e Y, e o tridimensional é o conjunto de 3 eixos (X,Y,Z) nomeados de eixos coordenados. Nas Figuras 4 e 5 tem-se a representação do sistema de coordenadas cartesiana bidimensional e tridimensional, respectivamente. Figura 4 - Coordenadas cartesianas, sistema bidimensional Fonte: Adaptado de VEIGA et al, Figura 5 - Coordenadas cartesianas, sistema tridimensional Fonte: Adaptado de VEIGA et al, 2012.

26 Terraplenagem De acordo com estudos e levantamentos na área, as primeiras operações e usos do terraplenagem aconteceram no Império Romano por volta de 310 a.c, apesar de toda precariedade, falta de conforto, essas primeiras estradas ofereceram grande resistência às ações do Homem e do tempo. No Brasil, a descoberta de minas de ouro e a interiorização do país levaram a construção das primeiras vias que deram início a grande malha existente. Uma das primeiras estradas ligava Minas ao Rio de Janeiro, que ficou conhecida como caminho do ouro, era usada para levar o ouro extraído em Minas até o porto de Paraty onde eram embarcados para Portugal (DER, 2017). Ao longo dos anos, a melhora dos materiais usados e a troca por outros materiais como macadame, asfalto e concreto possibilitaram maior segurança e conforto para os usuários. Além de um melhor desenvolvimento dos automóveis, que foram se tornando cada vez mais rápidos. A topografia tem um importante papel na construção das rodovias, pois através de levantamentos dos terrenos e seus relevos, pode-se avaliar os melhores traçados reduzindo os custos com o volume de terra movimentado. Portanto, a topografia deverá estar presente em todos os momentos desse tipo de obra de engenharia (BRASIL, 2017). Desde os primeiros levantamentos do solo natural até a finalização da obra. Na Figura 6 temos uma visão geral da operação de terraplenagem.

27 24 Figura 6 - Visão geral do processo de terraplenagem Fonte: Linhas de transmissão de energia Nos projetos de linhas aéreas de transmissão de energia elétrica, sejam elas curtas, médias ou principalmente longas, o uso da topografia é de vital importância para a confiabilidade e uma boa execução do projeto. O dito levantamento topográfico é uma das partes mais fundamentais de um projeto, pois a partir dele é que se vai saber o real traçado da linha. Assim como nas linhas de transmissão, a topografia também é uma ferramenta indispensável nos projetos de linhas de distribuição de energia elétrica, rurais ou urbanas (COELCE, 2003). Todo levantamento topográfico desse tipo é regulamentado pelas normas das concessionárias de energia local, como também pela norma da ABNT NBR 5422/85, que trata das condições de projeto de linhas aéreas de transmissão de energia elétrica. Na parte topográfica do projeto pode-se analisar, por exemplo, os critérios de execução dos serviços de topografia CE 002/2003 R01, da Companhia Energética do Ceará COELCE. Este documento apresenta diretrizes e critérios básicos necessários para Execução de Levantamento Topográfico de Linhas de

28 25 Transmissão, Redes de Distribuição e Subestações, de forma a assegurar boas condições técnico-econômicas das instalações e da qualidade de serviço. Segundo a COELCE (2003), o levantamento topográfico consiste em um conjunto de processos e métodos, executando medições de ângulos na horizontal e na vertical, distâncias verticais e horizontais com exatidão exigidas. Ainda materializa-se pontos de apoio no terreno determinado e suas coordenadas topográficas. Todo o processo visa à representação final em curvas de nível do terreno analisado. No caso das linhas de transmissão, a etapa inicial como dito anteriormente, é a determinação do caminho ideal para passagem da linha. Para tanto, deve se obter o caminho mais reto possível, entre muitos outros fatores, como menor custo, segurança, mínimo de desapropriações e etc (ABNT, 1985). No traçado das linhas aéreas de alta tensão, devem ser estudadas as melhores alternativas para a melhor execução possível. Alguns fatores importantes são: Menor distância, facilidade de acesso, suporte elétrico e o contorno de obstáculos, naturais ou não. Na Figura 7 temos uma visão geral de uma linha de transmissão aérea de energia elétrica e a importância da topografia. Figura 7 - Linhas aéreas de transmissão Fonte:

29 Sistemas embarcados Um sistema predefinido qualquer pode ser dito como um sistema microprocessado, quando o computador está contido em um determinado encapsulamento, fazendo e operando funções predefinidas. Diferentemente dos computadores de uso geral, como um computador pessoal, um sistema embarcado realiza um conjunto de tarefas predefinidas e preestabelecidas, geralmente com requisitos específicos (ANDRADE, 2010). Assim, um sistema embarcado pode ser considerado um sistema operacional para fins específicos, como celulares, equipamentos médicos ou até mesmo robôs. Devido à evolução da microeletrônica, o desenvolvimento das redes de computadores e telecomunicações e a evolução dos produtos advindos desse meio, como sensores e atuadores, a área de sistemas embarcados avançou de forma significativa e dinâmica nos últimos anos (SOUZA, 2009). Paralelo a isso tem se o desenvolvimento das linguagens de programação e a evolução da robótica, que é uma área que utiliza muitos sistemas embarcados para controlar máquinas e processos, industriais ou não (ANDRADE, 2010). Desde as suas primeiras experiências e aplicações na década de 1960, os sistemas embarcados vêm reduzindo seu preço. A evolução da microeletrônica possibilitou a criação de componentes cada vez menores, o que fez com que esses componentes que antes eram aplicados externamente, pudessem ser agrupados no mesmo chip do processador resultando em circuitos integrados (ANDRADE, 2010). A capacidade reduzida de processamento dos sistemas embarcados em relação a computadores pessoais se deve ao fato de que os desenvolvedores preferem utilizar microcontroladores ao invés de microprocessadores, pois aqueles já possuem diversos periféricos integrados no mesmo chip, como memórias, conversores A/D, dentre outros (SOUZA, 2009). Os sistemas embarcados ainda podem se comunicar com o meio externo de forma simples e dinâmica através do uso de periféricos, que podem ser combinados com o processador ou com o sistema como um todo. Outra diferença importante, e que deixa o uso de microcontroladores mais atraente, é a variedade de arquiteturas disponíveis. Os computadores pessoais podem executar diversos programas de forma simultânea ou alternar entre eles,

30 27 desempenhando as mais diversas funções (ANDRADE, 2010). Os sistemas embarcados, ao contrário dos computadores pessoais, executam uma única tarefa de forma contínua, sem panes ou travamentos, idealmente. Eles estão em toda a nossa volta, estamos tão familiarizados e envolvidos com os sistemas embarcados que não percebemos a sua proximidade e a sua capacidade computacional. Os sistemas embarcados operam em sistemas e em máquinas que podem operar um longo período de tempo sem interrupções ou falhas, e em alguns casos ainda contam com a capacidade de autocorreção. Talvez o exemplo mais comum e mais conhecido de sistema embarcado sejam os famosos smartphones, que desempenham funções específicas e mais limitadas que os computadores pessoais. Outros exemplos são os videogames, calculadoras, impressoras e roteadores. A Figura 8 permite uma visão geral de como um sistema embarcado é implementado e como ele se comunica com os periféricos (ANDRADE, 2010). Figura 8 - Visão geral de um sistema embarcado Fonte:

31 Veículos autônomos Os veículos autônomos tem se tornado cada vez mais populares nos ambientes de pesquisa de todo mundo e do Brasil, devido também ao desafio que esse conceito propõe. Atribuir aos sistemas uma capacidade de tomar decisões, raciocínio inteligente e de interagir com as adversidades e ambientes dos mais variados tipos (MEDEIROS, 1998). Através da leitura de sensores, o sistema percebe o ambiente que está inserido e assim pode tomar decisões e decidir suas ações. Atualmente esses veículos atuam nas mais variadas áreas, desde exploração de ambientes hostis até a condução de veículos industriais. Um veículo autônomo tem que ser capaz de executar tarefas simples ou não nos mais variados ambientes, o que torna o projeto de seu sistema uma tarefa na maioria das vezes desafiadora. O veículo também deve ser capaz de tomar decisões levando em conta conhecimentos prévio, seja do ambiente navegado ou de possíveis mudanças inesperadas (HEINEN, 1999). Essas decisões tomadas ao longo do funcionamento são predefinidas por técnicas concebidas na criação do projeto do sistema. Ao longo dos tempos, com o desenvolvimento da indústria automobilística, o surgimento da microeletrônica e dos sistemas computacionais, a ideia de uso de veículos autônomos se tornou cada vez mais presente no cotidiano do Homem atual, deixando de ser um projeto futurista e virando realidade (MEDEIROS, 1998). Diversos protótipos vêm sendo desenvolvidos e já podemos encontrar veículos totalmente autônomos circulando pelas ruas de grandes cidades. Todo esse avanço também proporciona uma melhoria na indústria automobilística, que a cada ano desenvolve e integra novos dispositivos aos seus carros, tornando os mais autônomos e seguros (MACHARET, 2009). Como exemplo, existe o protótipo de veículo autônomo da Google, carro bem compacto e sem volante, tudo que o passageiro precisa fazer é entrar e dizer o destino desejado. O carro irá mostrar a rota em uma tela no painel e irá se deslocar sozinho para o destino final. Aceleração, freio e direção são controlados por um computador que recebe constantemente dados de sensores. A Figura 9 ilustra esse protótipo.

32 29 Figura 9 - Carro autônomo da Google Fonte: Os veículos autônomos, além do uso para o deslocamento de pessoas, têm várias outras funções e finalidades. Uma delas são o monitoramento e a varredura de ambientes e rotas, o chamando deslocamento outdoor, que é a locomoção em estradas, campos, simplesmente se locomovendo ou captando informações por onde passa. Os veículos autônomos, assim, têm como objetivo substituir o condutor por um sistema de controle computacional que integre os recursos tecnológicos do veículo (MEDEIROS, 1998). Entre as principais vantagens do uso de veículos autônomos, está a redução de acidentes, melhora na produtividade e na confiabilidade, otimização dos recursos, e etc. Outra área que já sente os impactos dessas inovações e que se aprimora com tudo isso é a agricultura. Utilizam-se cada vez mais máquinas e tratores autônomos na colheita e plantio de várias culturas. A tendência é que essas máquinas dominem o setor justamente pela confiabilidade e pela eficiência, através da integração da agricultura de precisão com os sensores e robôs (MEDEIROS, 1998). 2.3 Plataforma de prototipagem microcontrolada A plataforma microcontrolada é de fundamental importância no projeto de prototipagem, sendo o Arduino umas das mais utilizadas. O Arduino é uma plataforma de desenvolvimento eletrônico de código aberto baseado em software e hardware de uso fácil, as placas podem receber sinais de entrada dos mais variados

33 30 tipos e transformar em sinais de saída para as mais variadas finalidades (ARDUINO, 2017). Para isso, o desenvolvedor vai fazer uso de uma linguagem de computação, no caso a linguagem C, para se comunicar e enviar um conjunto de instruções para o microcontrolador da placa. É necessário também que toda essa comunicação seja feita através de uma IDE, software do próprio Arduino (ARDUINO, 2017). Ao longo dos anos, o Arduino tem sido o cérebro de milhares de projetos, desde objetos do cotidiano até instrumentos científicos complexos. A comunidade mundial de estudantes, amadores, artistas, programadores e profissionais se reuniram em torno desta plataforma open-source. Suas contribuições acrescentaram uma quantidade incrível de conhecimento acessível que pode ser de grande ajuda para novatos e especialistas similares (ARDUINO, 2017). O Arduino nasceu no Ivrea Interaction Design Institute como uma ferramenta fácil para prototipagem rápida, todas as placas Arduino são completamente opensource, capacitando os usuários para construir e desenvolver projetos de forma independente e, eventualmente, adaptar às suas necessidades específicas (SOUZA, 2016). O software também é open-source, e está crescendo através das contribuições dos usuários em todo o mundo. A escolha do uso de uma plataforma de prototipagem desse tipo vem da eficiência dos experimentos com uma determinada complexidade, e consequentemente da economia de tempo envolvida, permitindo uma rápida prototipagem. Mas entre suas vantagens, uma das principais é a facilidade de controlar outros dispositivos e fazer um tratamento nos dados, recebidos ou enviados, através de uma interface programável. Além de possibilitar uma facilidade nas modificações necessárias que possam surgir ao longo do desenvolvimento do projeto (ARDUINO, 2017). A Figura 10 apresenta uma placa de Arduino.

34 31 Figura 10 - Arduino Uno Fonte: Sensores Balbinot (2011) argumenta que um sensor é um conversor de energia, é um dispositivo que essencialmente responde a um correspondente estímulo, seja ele físico ou químico. O processo de sensoriamento é um caso particular da transmissão de informação, com transferência de energia. Esse estímulo vai ser mensurável de maneira analógica. Na instrumentação eletrônica em geral, alguns conceitos são explorados e podem ser relativos a medidas comuns ou a medidas de processos mais complexos. Basicamente, os dispositivos são divididos em sensores e transdutores. Os sensores são instrumentos conversores de energia e os transdutores são dispositivos que também convertem energia, mas que convertem um sinal de uma forma física para outro sinal de outra forma física diferente (BALBINOT, 2011). Os sensores podem ainda ser classificados em naturais e industriais. Os primeiros são os sensores encontrados na natureza, em organismos vivos e que em geral respondem na forma de biossinais a eventos caracterizados por atividades de natureza elétrica, química ou mecânica. No corpo humano, por exemplo, estão evidenciados nos sentidos (visão, audição, olfato e paladar). Os sensores industriais

35 32 são os dispositivos para medição de variáveis físicas em sistemas genéricos, em geral as informações são processadas na forma de natureza elétrica. Os sensores industriais ainda podem ser classificas como ativos e passivos. Os ativos requerem uma fonte de alimentação externa para sua operação, o chamado sinal de excitação. Sensores ativos adicionam energia ao ambiente de medida como parte do processo de medição, esse sinal de excitação é modificado pelo sensor para produzir o sinal de saída. Os sensores passivos são aqueles que não necessitam de fonte externa para seu funcionamento, essencialmente eles geram um sinal elétrico em resposta a um estímulo elétrico (BALBINOT, 2011) Sensor óptico Seja na indústria, na automação, na coleta de dados, na detecção de temperatura, detecção de presença, enfim, em várias áreas distintas utilizam uma grande quantidade de dispositivos ou até mesmo máquinas que são comandados e controlados por sensores ópticos. Em algumas aplicações, esses sensores são essenciais, principalmente por não terem contatos mecânicos, não sofrerem grandes desgastes e por isso estão sujeitos a um número bem reduzido de falhas. Além disso, existe uma grande variedade de sensores rápidos e sensíveis, por isso se tornaram os preferidos por engenheiros e projetistas, permitindo a elaboração de circuitos complexos de grande eficiência (BALBINOT, 2011). Estes sensores e seus circuitos podem funcionar de forma a detectar o fim do curso de partes móveis de uma máquina, controlar a velocidade ou rotação de um volante, ou detectar a passagem de um objeto por um determinado local. Uma variedade de tipos está disponível para atender uma determinada necessidade de um projeto (BALBINOT, 2011). Um sensor óptico em geral, é composto de uma parte emissora de luz e outra parte receptora. Os sensores sensíveis à luz são dispositivos que tem suas características elétricas alteradas em função da quantidade de luz incidente. A luz é a forma de radiação eletromagnética que se dispersa no meio e o seu comprimento de onda é a principal característica (BALBINOT, 2011). Os sensores ópticos ainda podem ser divididos em dois grupos, os ativos e os passivos. Os ativos são os dispositivos que possuem um emissor e um receptor que

36 33 detectam a luz. Os sensores são ditos passivos quando possuem apenas receptores, não emitem luz de nenhuma natureza, só detectam luz de origem externa. Dentre os sensores ativos, três grupos podem ser caracterizados de acordo com o tipo de funcionamento, os que funcionam com sistema de barreira, sistema de difusão e por reflexão. No sistema de funcionamento por barreira o emissor e o receptor estão localizados em unidades diferentes e dispostos um em frente ao outro, de modo que o receptor possa sempre estar recebendo o feixe de luz oriundo do emissor. O dispositivo irá detectar a interrupção do feixe de luz e assim acionar alguma funcionalidade. O posicionamento das partes será importante, pois a distância entre emissor e receptor irá influenciar diretamente no seu funcionamento (BRAGA, 2017). O sistema por difusão é caracterizado pelo fato de o emissor e o receptor estarem montados na mesma unidade, lado a lado. O funcionamento do dispositivo irá ocorrer quando, por exemplo, um objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o emissor o feixe de luz emitido. Já no sistema por reflexão, um pouco idêntico ao sistema por difusão, pois o emissor e o receptor estão localizados na mesma unidade, mas diferem pelo fato de o feixe de luz que chegará ao receptor somente após ser refletido por um espelho. O seu acionamento acontecerá quando o objeto a ser detectado interromper o feixe de luz (BRAGA, 2017). Os principais dispositivos ópticos e mais conhecidos são os LDR s, os fotodiodos e os fototransistores. O LDR (Light Dependent Resistor), no português Resistor Dependente de Luz, essencialmente é um resistor que tem sua resistência variada de acordo com a intensidade de luz que incide sobre ele. Sua resistência entre escuro e claro pode variar de alguns de 1MΩ a 100Ω, respectivamente. Sua principal desvantagem é que ele não responde muito rápido a grandes variações de luminosidade. Variações acima de 10khz aproximadamente, já não são detectadas com eficiência. Entretanto, o dispositivo pode trabalhar com elevadas correntes, o que pode facilitar e simplificar os circuitos em que estão inseridos (BRAGA, 2017). O fotodiodo é basicamente um diodo com encapsulamento que permite a incidência de luz na sua junção PN, polarizada reversamente, dando origem a uma corrente reversa proporcional a luz incidente. A luz incidente libera portadores que acompanham a corrente de fuga. As correntes obtidas são muito baixas, exigindo uma amplificação mais detalhada com circuitos para acionamento de dispositivos de

37 34 potência. Entretanto, o fotodiodo tem uma resposta muito rápida, o que o torna essencial para aplicações mais sofisticadas (BRAGA, 2017). O fototransistor opera de modo semelhante ao fotodiodo, aproveitando as correntes de fuga. Embora os transistores sejam mais sensíveis que os fotodiodos, já que podemos aproveitar o fato de que eles podem ser ligados de modo a amplificar as correntes de fuga, sua velocidade é um pouco menor (BRAGA, 2017). Nas Figuras 11 e 12 são esquematizados os sensores de interrupção e o de sensoriamento por furo, que funciona com uma lógica inversa, respectivamente. Figura 11 - Sensoriamento por interrupção Fonte: Figura 12 - Sensoriamento por furo Fonte: Controle de Motores CC Motores CC Os motores de corrente contínua ou motores CC, são máquinas elétricas percorridas por corrente contínua que tiveram fundamental importância na origem

38 35 dos sistemas elétricos de potência, mas foram ultrapassados pelas máquinas de corrente alternada a partir da década de 1890 (CHAPMAN, 2013). Mesmo assim, a máquina de corrente contínua ainda é a melhor opção em várias aplicações distintas, devido a sua ampla faixa de velocidade e regulação. Essencialmente a motor de corrente contínua é formado por duas partes principais, uma parte estática (Campo) e uma parte girante (Armadura). A parte estática é formada pelos enrolamentos de campo, responsável pela criação do fluxo magnético principal. A parte girante é formada pelo rotor que possui os enrolamentos, escovas e o coletor. A condição para o funcionamento é a criação de um fluxo magnético no estator da máquina obtido a partir da aplicação de uma corrente contínua nas bobinas estatóricas, surgindo assim polos magnéticos polares fixos (CHAPMAN, 2013). Outra corrente contínua deve circular nas bobinas do rotor produzindo polos magnéticos no rotor, assim os polos do rotor são atraídos pelos polos do estator, criando assim uma força magnética. A resultante dessas forças magnéticas atuando sobre o rotor dá origem ao torque do motor (CHAPMAN, 2013). A Figura 13 mostra um esquema do motor CC, suas partes e seus polos magnéticos. Figura 13 - Ação dos campos magnéticos no motor CC Fonte: Adaptado de COELHO (2007) Modulação por largura de pulsos (PWM) Uma das preocupações em usar motores CC, seja em veículos de controle remoto ou autônomos, é a de controlar sua velocidade ao longo de um determinado caminho para evitar transições abruptas no seu funcionamento, nos processos de aceleração e frenagem. Para tal condição, uma solução possível e eficiente é o

39 36 controle de velocidade através da modulação por largura de pulsos ou PWM (Pulse Width Modulation). Outra preocupação é manter o torque dos motores em uma determinada faixa de operação, devido ao comportamento não linear dessas máquinas, assim, o uso de controladores lineares se torna pouco ou nada aplicável (GUIMARÃES, 2007). A velocidade do motor CC é controlada pelo ajuste da sua tensão de armadura, que também irá sofrer alteração de acordo com a carga acoplada ao motor, a modulação PWM manipula a potência entregue ao motor e assim controla sua velocidade. A potência entregue ao motor sofre variação sem alterar a tensão entregue ao motor através de um artifício interessante, usando o tempo como uma variável de controle. Aplicamos pulsos retangulares que tenham a mesma tensão nominal do motor, mas que tenham duração menor que o usual, 60% por exemplo. Assim, podemos dizer que em um ciclo ativo da onda retangular, a potência média entregue ao motor será de 60% da potência máxima que seria entregue usualmente (CHAPMAN, 2013). A relação entre o período que a onda quadrada fica em nível alto e o período total é chamada de Duty Cycle (Ciclo de Trabalho). Por exemplo, se dizemos que a modulação PWM é feita com Duty Cycle de 60%, significa dizer que apenas 60% do período total da onda está em nível alto, os outros 40% da onda está em nível baixo (0 V). Uma modulação com amplitude de 12 V e Duty Cycle de 60% equivale a uma fonte de tensão contínua de amplitude 7,2 V, isso produziria o mesmo efeito por que em ambos os casos a tensão média é a mesma (GUIMARÃES, 2007). Devido à própria inércia do motor e a frequência da onda, a máquina não sente a mudança de nível lógico alto para baixo, já que cada pulso da onda contém a tensão máxima, mantendo assim seu torque. Assim, manipulando a frequência dos pulsos da onda controla-se a potência entregue a máquina e, consequentemente, sua velocidade (GUIMARÃES, 2007). No Arduino, o Duty Cycle também é a razão do período que o sinal permanece em nível alto (5 V) pelo período de nível baixo (0 V), é usado um número inteiro que é armazenado em 8 bits, assim o valor pode variar de 0% (0) a 100% (255). A Figura 14 a seguir mostra uma representação da modulação PWM com variações do ciclo de trabalho.

40 37 Figura 14 - Modulação PWM Fonte: Ponte H Os motores CC são cargas indutivas que, em grande parte podem drenar uma corrente bem superior à que as portas do Arduino podem suportar ou conseguir fornecer sem se danificar, que é de no máximo 40 ma. Uma simples solução para altas correntes seria a de usar elementos ou chaves semicondutoras como o transistor, mas como o interesse é de controlar motores CC e seus sentidos de rotação, isso não seria possível usando o transistor, por exemplo, (GUIMARÃES, 2007). A inversão de polaridade necessária para a inversão de sentido de rotação das rodas do veículo poderia danificar os componentes semicondutores, uma vez que não suportam tensões reversas. Por isso usa-se o circuito ponte H para resolver o caso, que nada mais é que um arranjo com 4 transistores, como mostra a Figura 15. Assim, a corrente encontrará caminho disponível para girar o motor em qualquer sentido sem danificar os transistores.

41 38 Figura 15 - Esquema do circuito ponte H Fonte: http: 1.html O esquema do circuito lembra a letra H, por isso o nome. O circuito utiliza quatro chaves semicondutoras de forma alternada, dependendo da polaridade de Vcc. Assim, a corrente percorre o motor em um sentido, proporcionando a rotação no mesmo sentido; em outro momento, tem-se a corrente percorrendo outro sentido, alterando o sentido de rotação do motor. E quando todas as chaves não estiverem acionadas ou fechadas, o circuito estará aberto e, consequentemente, o motor estará desligado.

42 39 3 MATERIAIS E MÉTODOS Este capítulo tem por objetivo descrever e detalhar a metodologia utilizada no desenvolvimento do protótipo, mostrando o sistema de forma detalhada, as tecnologias e a ferramenta computacional utilizada. Além de abordar as principais decisões tomadas durante a elaboração do protótipo. O terreno analisado possui uma superfície lisa, sem obstáculos, o que proporciona uma melhor navegação para o protótipo. 3.1 Descrição geral do sistema O protótipo proposto funciona de forma previamente comandada e com lógica predefinida, de forma autônoma. Todas as suas ações são tomadas de acordo com a lógica de programação contida em seu microcontrolador de forma embarcada. O protótipo deve percorrer um espaço retangular de 6m de comprimento por 1m de largura, fazendo medidas de distância percorrida e de altura do relevo por onde estiver percorrendo e salvando todos os dados colhidos em um cartão mirco SD. As medidas de distância (eixo x) são feitas a partir de um sensor óptico acoplado a uma das rodas do protótipo. A cada metade do giro da roda do veículo, um conjunto de leituras é feito. As medidas de altura (eixo z) do relevo são feitas de acordo com o movimento de um pêndulo embarcado no protótipo: o pêndulo faz girar um potenciômetro que está acoplado no mesmo, e assim variando sua tensão. Os dados salvos no cartão de memória são tratados em um ambiente computacional, que deu origem a um gráfico simula o espaço que o protótipo percorreu, semelhante a um gráfico de curvas de nível. A transferência dos dados do cartão de memória para o computador é feita de forma manual. Na figura 16 temos uma esquematização da forma com que as medidas de altura são colhidas (Seno(α)).

43 40 Figura 16 - Esquematização das medidas de altura. Fonte: Tecnologia utilizada Pêndulo e sensor de inclinação Uma das funcionalidades mais importantes do trabalho é a que será descrita nesse tópico, já que o mesmo visa a medição da inclinação sofrida pelo protótipo em uma determinada superfície qualquer, dando origem ao gráfico da mesma, obtido através de um software. No mercado já estão disponíveis vários produtos, os mais modernos e com variadas especificidades, que podem atender a essa finalidade, as o intuito é proporcionar uma solução de forma simples, mesmo que de forma experimental, usando componentes de fácil acesso e uso. Todas as medidas de inclinação do protótipo ao longo da superfície em estudo foram feitas com um sensor de inclinação, construído pela associação de um potenciômetro e um pêndulo. Essencialmente, toda a escala do potenciômetro foi dividida propositalmente usando o processo simples de interpolação linear, de forma a dividir a tensão aplicada a seus terminais em correspondentes divisões binárias de 0 a 1023 posições, em que cada divisão está correspondendo a um determinado ângulo. O pêndulo foi confeccionado com uma haste de metal com um peso de chumbo acoplado em sua extremidade, proporcionando um movimento giratório no potenciômetro, devido ao momento angular. Com uma simples análise de semelhança de triângulos, identifica-se que a posição do potenciômetro corresponde a um determinado ângulo, que é o mesmo da inclinação que o protótipo está submetido. E esse deslocamento de rotação no

44 41 potenciômetro será feito com o movimento do pêndulo que estará acoplado ao mesmo, variando de acordo com a inclinação que o protótipo irá sofrer. As medidas de ângulo também foram verificadas com o auxílio de um simples transferidor usado para desenhos técnicos. Quando o protótipo se deslocar em linha reta, em uma superfície plana, o pêndulo irá permanecer na posição de repouso, o potenciômetro estará na posição correspondente a 0 grau. Se o protótipo se deslocar e encontrar uma inclinação no relevo, seja um aclive ou declive, o pêndulo fará com que o potenciômetro se posicione na angulação correspondente. No aclive o pêndulo irá se deslocar para trás, e no declive o pêndulo irá se deslocar para frente do veículo, assim, o potenciômetro irá se deslocar da posição de -90 até +90, respectivamente. Essas últimas situações apresentadas são situações limites, ou extremas, que deverão ser evitadas, pois podem ocasionar a virada ou o tombamento do protótipo devido ao excesso de inclinação. Na Figura 17 temos uma visão geral de um modelo de potenciômetro usado no trabalho. Figura 17 - Potenciômetro de 10k usado no pêndulo Fonte: Plataforma microcontrolada No protótipo em estudo, foi utilizada uma versão mais sofisticada do Arduino, o Arduino nano V3. De tamanho bastante reduzido, ele facilita o arranjo e agrupamento com outros componentes utilizados no protótipo. A Figura 18 apresenta a plataforma utilizada com placa de protoboard.

45 42 Figura 18 - Visão geral do Arduino nano v3 acoplado a placa de protoboard Fonte: O Arduino nano traz a possibilidade de ser usado diretamente na placa de protoboard, facilitando a execução emontagem dos projetos. Com apenas 45x18mm de dimensões contra 68x53x10mm do Arduino UNO. O Arduino nano utiliza o microcontrolador Atmel Atmega 328 e na Tabela 1 estão listadas suas principais características. Tabela 1 - Principais características do Arduino nano Variáveis Especificação CPU Microcontrolador Atmel Atmega 328. Tensão mínima de Alimentação 3.3 V Tensão Máxima de Alimentação 20 V Tensão Ideal para Alimentação 7 12 V Pinos Digitais I/O 14 pinos, no qual 6 destes também servem para saídas PWM. Pinos de Entrada Analógica 8 entradas com 10 bits de resolução. Corrente DC Por Pino I/O 40 ma Memória Flash 16 Kb, sendo que 2 Kb são utilizados pelo bootloader. SRAM 2 Kb EEPROM 1 Kb Velocidade de Clock 16 MHz Fonte:

46 Sensor óptico No trabalho desenvolvido foi utilizado um fotodiodo com sistema de reflexão de funcionamento. O sensor óptico acoplado a uma das rodas do protótipo, utilizado para fazer medidas de distância é o CI C que é usado como sensor de papel em impressoras e foi adaptado para o protótipo. Seu funcionamento é idêntico ao de outros sensores do tipo, usando a composição de um led emissor e outro led receptor. Quando os leds se enxergam proporcionam a passagem do fluxo de corrente no circuito a eles conectado. O intuito é medir a distância horizontal que o protótipo percorreu, através das rotações da sua roda. Com isso determina-se quando as medidas de inclinação e distância serão usadas pelo sistema de controle do veículo para tomar determinadas decisões, e depois salvar no dispositivo de memória do protótipo. A Figura 19 mostra o sensor usado no trabalho. Figura 19 - CI C Fonte: A cada meio giro da roda do protótipo uma medida de distância é colhida e assim, somada à próxima medida consecutiva, possibilitando o controle de distância ao veículo, que poderá operar dentro dos limites de extensão do terreno.

47 Arduino Software O software para programação do Arduíno é uma IDE (Figura 20) que permite a criação de sketches para a placa Arduino. A linguagem de programação é modelada a partir da linguagem Wiring. Quando pressionado o botão upload da IDE, o código escrito é traduzido para a linguagem C e é transmitido para o compilador avr-gcc, que realiza a tradução dos comandos para uma linguagem que pode ser compreendida pelo microcontrolador. As bibliotecas utilizadas na IDE são desenvolvidas em C++, podendo o usuário utilizar as que já estão disponíveis ou criar suas próprias bibliotecas (SOUZA, 2013). Figura 20 - Arduino software Fonte: A IDE é dividida em três partes: A Toolbar no topo, com atalhos para facilitar o manuseio da ferramenta, a área de codificação ou a Sketch Window no centro, e a janela de mensagens na base onde são exibidos os possíveis erros ou informação

48 do processo de compilação (SOUZA, 2013). Na barra de status ainda é possível verificar o modelo do módulo e a porta serial ao qual o Arduino está conectado Armazenamento dos dados O armazenamento dos dados, das leituras de angulação e das distâncias obtidas nos sensores do protótipo, será feito em um cartão de memória SD através de um módulo Shield SD. Na utilização de microcontroladores muitas vezes precisamos armazenar dados por um determinado período de tempo, longos ou não, para posteriormente usar esses dados para elaborar gráficos ou até mesmo conferir leituras de sensores, entre muitas outras finalidades. O módulo de cartão Shield SD com Arduino aceita cartões com formato em FAT16 ou FAT32 e foi utilizada a comunicação via interface SPI. Na Tabela 2 abaixo, estão algumas das especificações do módulo. Tabela 2 - Principais especificações do Shield SD Variáveis Especificações Tensão de entrada 5V ou 3.3V Interface SPI MOSI, SCK, MISO e CS Dimensões: 5.1 x 3.1cm Formatação: FAT16 ou FAT32 Fonte: Autor A Figura 21 traz uma visão geral do módulo de cartão Shield SD.

49 46 Figura 21 - Módulo cartão Shield SD Fonte: Chassi com Motores CC O chassi 2wd é um dispositivo constituído de dois motores CC de 6 V que controlam duas rodas, o chassi ainda tem outra roda de apoio, o dispositivo todo simula um triciclo motorizado. O controle dos motores e consequentemente do movimento do veículo é feito pelo micro controlador arduino v3 nano, com sua lógica de programação embarcada, junto com o shield ponte H. Todos os dispositivos contidos no chassi são alimentados, de forma independente por baterias. O chassi conta também com um pêndulo acoplado a um potenciômetro, responsável pelas medidas de altura do relevo, um shield cartão SD para armazenamento dos dados e um shield ponte H. Como o veículo se movimenta de forma autônoma, não existe comunicação direta com o usuário. Toda a comunicação é programada previamente através da lógica contida no Arduino. Todos os componentes estão acoplados na placa de circuito impresso que o veículo transporta. A seguir, na Figura 22, tem-se uma vista geral do chassi 2wd antes de receber a placa de protoboard com os demais itens.

50 47 Figura 22 - Chassi 2wd Fonte: Motores CC A FIGURA 23 mostra um par de motores CC usados no veículo autônomo do experimento.

51 48 Figura 23 - Par de motores CC Fonte: Na Tabela 3 tem-se as principais especificações do motor CC usado no chassi. Tabela 3 - Principais especificações do motor CC Variáveis Tensão de entrada Peso Corrente sem carga: Velocidade sem carga: Especificações 3V ou 6V 30g 200mA (6V) e 150mA (3V) 200rpm (6V) e 90rpm (3V) Fonte: Disco de Encoder Na figura 24 é mostrado um disco de encoder que foi usado de modo acoplado ao eixo do motor CC e serviu para construção das leituras de distância x.

52 49 Figura 24 - Disco de "Encoder" Fonte: A seguir, é mostrado um esquema de como o disco se relaciona com o sensor óptico, na figura 25. Figura 25 - Esquema de funcionamento do disco de "encoder" Fonte: _an_encoder Módulo de potência O módulo de potência usado para fazer toda operação de modulação PWM experimentada pelo protótipo é o Driver Motor Ponte H L298N, visto na Figura 26 com mais detalhes.

53 50 Figura 26 - Driver Ponte H L298N Fonte: Esse módulo é baseado no CI L298N, fabricado para controle de cargas indutivas como relés, solenoides, motores CC e motores de passo. Tem capacidade de controlar até dois motores CC ou um motor de passo, suas velocidades e rotações de forma independente. O módulo possui algumas especificações interessantes, citadas na Tabela 4. Tabela 4 - Principais especificações do Módulo ponte H Variáveis Tensão de operação Chip Motor Tensão lógica Corrente lógica Temperatura de operação Potência máxima Peso Dimensões Especificação 4 35V ST L298N Controle de 2 motores cc ou 1 motor de passo 5V 0 36mA -20 a +135 C 25W 30g 43 x 43 x 27mm Fonte:

54 51 Na Figura 27 é apresentada uma vista superior do módulo ponte H, suas conexões e tensões de referência. Figura 27 - Módulo ponte H L298N Fonte: Circuito integrado L298N O CI L298N é o cérebro do Driver Ponte H, o módulo de potência do veículo, esse componente nada mais é do que um circuito ponte H encapsulado junto ao um circuito integrado. As principais vantagens que tornam esse CI atraente para o uso em controle de motores CC é a baixa complexidade do seu circuito, o espaço de ocupação reduzido, possui resposta a sinais PWM e o principal, ele já possui dois circuitos ponte H podendo assim controlar dois motores simultaneamente e de forma independente (GUIMARÃES, 2007). A Figura 28 a seguir mostra um esquema do CI com suas portas lógicas e sua organização interna.

55 52 Figura 28 - Diagrama de blocos CI298N Fonte: DataSheet CI298N. A Tabela 5 a seguir mostra as principais funções do CI298N e seus principais pinos. Tabela 5 - Função dos Pinos do CI298N Nome do pino Sense A; Sense B Out1; Out2 Input1; Input2 Enable A; Enable B Input3; Input4 Out3; Out4 Função Entre esses pino e o terra é conectado um resistor para controlar a corrente da carga. Saídas da ponte A, a corrente que fui através da carga conectada entre esses pinos é monitorada pelo pino 1. Entradas da ponte A (TTL). Entradas, nível baixo desabilita ponte A e ponte B respectivamente. Entrada da ponte B (TTL). Saídas da ponte B, a corrente que fui através da carga conectada entre esses pinos é monitorada pelo pino 15. Fonte: Adaptado de GUIMARÃES (2007).

56 Esquema de ligação e interconexão dos componentes Na Figura 29 temos uma visão geral do esquema de ligação e interconexão dos componentes apresentados anteriormente, com a pinagem correspondente de cada elemento e a organização física para compor o sistema do protótipo. Figura 29 - Esquema de ligação e interconexão dos componentes do sistema Fonte: (AUTOR, 2017)

57 Acionamento do sistema O sistema funciona de forma microcontrolada e autônoma, tudo começa com o pêndulo acoplado ao potenciômetro que faz girar o potenciômetro quando o veículo encontra inclinações no terreno. As variações do potenciômetro são registradas na plataforma microcontrolada que converte para medidas digitais, a seguir essas medidas serão usadas no cálculo do valor do ângulo. Paralelamente a esse processo inicial, ocorre o acionamento dos motores CC pelo CI ponte H, onde é feito o processo de PWM que irá fazer o veículo se movimentar. Com o movimento iniciado, o sensor óptico acoplado a uma das rodas do protótipo irá registrar a quantidade de giros da roda, a cada meio giro ocorrerá uma interrupção e uma medida de distância será registrada no comprimento x que determinará a distância percorrida pelo veículo, o processo se repetirá a cada meia volta completa. Associado a isso são feitas as medidas de altura, usando a inclinação medida pelo potenciômetro e a distância que o carro percorre, depois os dados são salvos no cartão SD. Esse processo pode ser acompanhado de forma visual através de um led que acende toda vez que ocorrer um processo de interrupção do sensor e consequentemente uma leitura de medidas, assim o led irá piscar a cada meio giro da roda do veículo. Na Figura 29, vista no tópico anterior, podemos ver as baterias que irão alimentar o sistema. A plataforma microcontrolada é alimentada por uma bateria de 9 V através de sua porta Vin, a plataforma será responsável por alimentar o Shield SD, o sensor óptico, o potenciômetro e o led, todos conectados a seu pino de saída 5 V que está conectada em um terminal comum na protoboard, assim como o pino GND (0 V). As baterias de 1,5 V irão alimentar o CI ponte H que irá controlar a tensão enviada aos motores CC, as baterias estão conectadas em série (6 V) e delimitadas por um interruptor de acionamento manual. Tanto o CI ponte H, quanto as baterias de 9 V e 1,5 V estão conectadas ao terminal GND da plataforma microcontrolada, existindo assim o mesmo ponto de referência para o sistema. Na partida do sistema, o CI ponte H é acionamento pelo interruptor e em seguida a plataforma é ligada pela conexão do terminal positivo da bateria de 9 V ao pino Vin, nessa ordem. Todo o processo é feito de forma manual.

58 Ambiente e Processo de medição Foram avaliados os níveis do relevo de uma via de pedestres, como exemplo ou modelo de terreno base para o trabalho, a título de simplificação e generalização do estudo. A via de passagem fica localizada na Universidade Federal do Vale do São Francisco UNIVASF, e tem uma superfície sem obstáculo e perfeitamente lisa. Ainda conta com uma pequena rampa de acesso para evitar um degrau. O objetivo foi fazer com que o veículo autônomo percorresse toda a via coletando informações de altura do relevo, para depois servir os dados para desenvolvimento dos gráficos em um ambiente computacional, esboçando a via o mais próximo possível da realidade. O veículo percorreria a via em movimentos de ida e volta sempre alternando a faixa de medida dos ângulos, ele inicia o movimento por uma faixa da via até percorrer todo o comprimento, faz o retorno e volta por outra faixa da via realizando novas medições. O ciclo se repete até ter percorrido todo o espaço, como mostra a Figura 30, onde temos uma visão geral do esquema de navegação a que o veículo foi submetido. Figura 30 - Esquema geral de navegação do protótipo Fonte: (AUTOR, 2017)

59 56 Na Figura 31 temos uma ilustração do terreno onde foram feitas as medições e a simulação de todo experimento. Figura 31 - Esquema do terreno para medição Fonte: (AUTOR, 2017) Na Figura 32 é mostrada a imagem do real terreno, a rampa de acesso a cadeirantes que serviu de exemplo para o trabalho. Figura 32 - Fotografia do terreno real Fonte: (AUTOR, 2017) A rampa de acesso possui aproximadamente 6m de comprimento, 0,7 m de largura e 18 cm de altura, diferença entre o nível inferior e superior.

60 Aquisição e Processamento dos Dados Os dados adquiridos nas medições foram salvos em um cartão micro SD através de um Shield SD conectado e controlado pela plataforma microcontrolada. De forma manual o cartão foi levado a um computador onde os dados puderam ser extraídos e consequentemente trabalhados pelo ambiente computacional gráfico, que deu origem ao gráfico que corresponde ao terreno real. Os dados correspondem às medidas de distância x (Comprimento), y (Largura) e z (Altura) do terreno experimentado pelo veículo. Os dados foram salvos em forma de vetores independentes, o que facilitaria depois a extração e separação no ambiente gráfico. A medida x que corresponde ao comprimento do terreno foi obtida a partir do sensor óptico acoplado a roda do veículo, a cada meio giro da roda um valor correspondente ao comprimento de meia roda era incrementado, isso é uma estratégia para aumentar o número de medidas e assim aumentar a precisão dos dados. A roda do protótipo tem diâmetro de aproximadamente 5,75 cm, e assim, segunda a equação (1) obtemos o comprimento da roda do protótipo que é de aproximadamente 18 cm. C = 2 π R (1) Consequentemente A cada leitura de dados, ou a cada meia volta completa do veículo, o valor de 0,09 m é incrementado no comprimento x percorrido. E assim, é desencadeada a aquisição de medidas de altura, que são obtidas a partir dos valores de Seno e Cosseno da angulação correspondente. As medidas de inclinação, o ângulo que o veículo foi submetido, foram obtidas a partir do pêndulo acoplado ao potenciômetro, já mencionado anteriormente. E finalmente, as medidas de largura foram adquiridas de forma programada, quando o veículo executa uma manobra de curva ocorre um incremento na largura y, evidenciando que o veículo se encontra em outra linha do terreno. Na Figura 30 temos uma visão geral do arquivo (.txt) que é salvo no cartão de memória micro SD. O arquivo contem as medidas de ângulo do pêndulo na primeira coluna, as medidas de comprimento do terreno (x) na segunda coluna e as medidas das alturas (z) em todos os pontos na terceira coluna.

61 58 Figura 33 - Visão geral do arquivo de leituras Fonte: (AUTOR, 2017) Em seguida esses dados foram levados exportados para uma tabela no Excel e depois levados ao ambiente computacional Matlab, onde foram plotados os gráficos das curvas do terreno. A motivação para criação da tabela no Excel é a de poder levar os dados para Matlab mais facilmente, ou através do próprio do Matlab ou de forma direta mesmo. Na Figura 31 temos uma visão geral da tabela. Figura 34 - Tabela com os dados Fonte: (AUTOR, 2017)

62 59 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Este capítulo visa apresentar os resultados obtidos durantes as diversas etapas do projeto discutidas anteriormente. 4.1 Protótipo Finalizado Na Figura 32 temos uma visão geral do protótipo depois de finalizado o processo de montagem e arranjo dos componentes. Figura 35 - Protótipo finalizado Fonte: (AUTOR, 2017)

63 60 Na montagem do protótipo foram descobertos problemas que impossibilitaram o trabalho de ser concluído de forma integral, como proposto nos objetivos, o principal deles é uma imperfeição observada nas rodas do protótipo. As rodas possuem imperfeições criadas no seu processo de fabricação, as mesmas são tortas e não giram de forma ideal para manter o protótipo em uma direção linear e constante no sentido do comprimento x, na direção do comprimento da rampa. Assim, as manobras de curva e retorno do veículo em outra linha paralela a linha de movimentação inicial, como previsto no esquema de navegação apresentado anteriormente na Figura 30, não foram possíveis de se executar. O problema se agravou pelo fato do protótipo possuir uma única roda traseira, sem controle e com movimentação livre, aumentando o erro provocado pelas rodas controladas da dianteira. A roda traseira tente a guiar o carro na direção em que as rodas dianteiras apontarem. O protótipo se deslocava em diagonal mesmo recebendo o comando para navegar em linha reta, o que impossibilitou um retorno programado e controlado. A solução foi restringir o movimento livre da roda traseira, tornando-a fixa na direção x, e também tentar acelerar um motor mais que o outro, o movimento na diagonal para a direita era maior devido a maior imperfeição da roda dianteira direita, então essa roda foi acelerada na tentativa de fazer com que a direção de navegação se aproximasse de uma linha reta, anulando o efeito diagonal. A tentativa foi bemsucedida e o veículo consegue se deslocar em uma quase linha reta. As implicações imediatas desse arranjo foram as de que os movimentos do protótipo ficaram restritos a direção x. Possibilitando apenas medidas em linha reta, com deslocamentos apenas de ida ou de volta, já que com a roda traseira fixa as manobras de curva não eram possíveis. Então, a parte do código que foi implementado na plataforma microcontrolada, responsável pelas manobras de curva e retorno do protótipo foi retirada não tendo efeito factual na navegação do veículo. Mesmo assim, a parte retirada foi testada, via software, e funciona da maneira desejada. Essa parte do código foi apenas comentada. 4.2 Resultados gráficos Mesmo com todas as modificações, o protótipo respondeu bem aos objetivos propostos: fazer medidas de comprimento e altura do terreno em vários pontos. De

64 61 maneira repetitiva o veículo percorreu a rampa no sentido de subida, parando no topo. De maneira similar, o veículo percorreu a rampa no sentido da descida, partindo do topo da e parando na base. A seguir temos os resultados expressos em gráficos obtidos no MATLAB. As Figuras 36, 37 e 38 apresentam os resultados gráficos das medições, onde o veículo percorre a rampa em linha reta no sentido de subida. Figura 36 - Gráfico da subida Fonte: (AUTOR, 2017) Figura 37 - Gráfico da subida 2 Fonte: (AUTOR, 2017)

65 62 Figura 38 - Gráfico da subida 3 Fonte: (AUTOR, 2017) Nas Figuras 39 e 40 temos os resultados gráficos, onde o veículo percorre a rampa em linha reta no sentido de descida. Figura 39 - Gráfico da descida 1 Fonte: (AUTOR, 2017)

66 63 Figura 40 - Gráfico da descida 2 Fonte: (AUTOR, 2017) Na tentativa de fortalecer os resultados anteriores e evidenciar a eficácia dos métodos de medição, foi feita uma simulação onde o veículo parte da base da rampa no sentido de subida e ao chegar ao topo uma manobra de retorno foi feita de forma manual, sem desligamento dos motores e do sistema. Na intenção de fazer um ensaio onde o veículo encontraria um trajeto mais elaborado e que exigisse mais de sua lógica, um ensaio de subida seguido de uma descida, em forma trapezoidal. Na Figura 41 temos um esquema para visualização do ensaio de subida seguido de uma descida, o terreno em forma trapezoidal, para melhorar a absorção da ideia proposta. Figura 41 Esquema do terreno em forma trapezoidal Fonte: (AUTOR, 2017)