DESENVOLVIMENTO DE VEICULOS AUTONOMOS EM ESCALA EM AMBIENTE DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

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Esther Caiado Pinho
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1 DESENVOLVIMENTO DE VEICULOS AUTONOMOS EM ESCALA EM AMBIENTE DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL Aluno: Renan de Lima Simões Mondego Vilela Orientador: Mauro Speranza Neto Introdução O presente projeto é continuação de um projeto que foi desenvolvido por diferentes turmas de Introdução a Engenharia, em projetos de Iniciação Científica, projetos de fim de curso, e teses de mestrado. Objetivos Estudo de modelos matemáticos que representem a dinâmica de bicicletas. Determinação de parâmetros físicos para o modelo matemático do sistema. Implementação de um sistema de aquisição de dados dinâmicos para comparação de dados obtidos experimentalmente e a partir do modelo matemático. Detalhamento do Projeto i) Modelagem do sistema Para análise do comportamento dinâmico longitudinal de uma bicicleta com propulsão humana existe um modelo matemático no qual estão incluídos todos os componentes e efeitos fundamentais que atuam sobre a bicicleta. As hipóteses consideradas nesse modelo são listadas abaixo: bicicleta equilibrada (verticalmente estável); movimento ocorre em terreno perfeitamente liso, sem qualquer perturbação; todos os eixos do sistema de transmissão e cabos do sistema de freios são rígidos; não há deslizamento no contato do pneu traseiro com o solo na tração; não há travamento das rodas durante a frenagem; não há perda de contato do pneu com o solo durante a frenagem ou tração; sistema de freios representado de forma simplificada. Figura 1 Sistema de referência, parâmetros geométricos e forças aplicadas na bicicleta durante tração e frenagem

2 A figura 2 representa o fluxo de potência do sistema considerado. Figura 2 Fluxo de potência de uma bicicleta com propulsão humana A partir do diagrama de forças representado na figura 1 é possível desenvolver o modelo mostrado nas equações abaixo. F x = m.v F y = 0 { F z = 0 m. v = F T F R F t d F F F { N t + N d m. g. cos θ = 0 N t l t N d l d + (F t F + F d F F T F aero F acl ). h = 0 A força de resistência aplicada na bicicleta leva em consideração a resistência aerodinâmica, a resistência ao rolamento, resistência considerada em relação ao aclive e a resistência d carga aplicada nas rodas. A equação abaixo detalha matematicamente todas elas. F R = F aero + F rest. ao rolamento + F aclive + F carga roda dianteira 1 = 2 ρc DSv 2 + μ r (N D + N t ) + mg sin θ (J r d v + b d r d v) d r d O modelo de frenagem considerado é mostrado abaixo. { F F d = (μ. N d )δ d F F t = (μ. N t )δ t Os comandos δ d e δ t podem variar entre 0 e 1 e representam o quanto de freio é aplicado pelo ciclista. Após equacionamento matemático é possível chegar ao seguinte modelo: dv dt = 1 ( N i T m E r p b E v 1 t 2 ρc DSv 2 (μ r + μδ d )N d (μ r + μδ t )N t mg sin θ) dx { dt = v

m E = m + N i 2 r 2 J p + 1 2 J t + 1 2 J d d b E = N in i r 2 J p + N 2 i 2 b p + 1 2 b t + 1 2 b d d N d (t) = N { t (t) = mg (cosθ(l t + μδ t h) sin θ h) N i r t T p h 1 2 ρc DAv 2 h (l t + l d +

3 m E = m + N i 2 r 2 J p J t J d d b E = N in i r 2 J p + N 2 i 2 b p b t b d d N d (t) = N { t (t) = mg (cosθ(l t + μδ t h) sin θ h) N i r t T p h 1 2 ρc DAv 2 h (l t + l d + μ(δ t δ d ) h) mg (cosθ(l d + μδ d h) sin θ h) N i r t T p h 1 2 ρc DAv 2 h (l t + l d + μ(δ t δ d ) h) O modelo possui como entrada o torque realizado pelo ciclista nos pedais e o comando de freio dado pelo ciclista. ii) Sistema de Aquisição de Dados Para avaliar os dados extraídos do modelo foi desenvolvido um sistema de aquisição de dados para extrair dados referentes a dinâmica da bicicleta. O sistema consiste de um microcontrolador Arduino associado a diferentes componentes eletrônicos com o objetivo de aquisitar dados dinâmicos em condições reais. Para a aquisição dos dados inercias referentes ao comportamento da bicicleta, foi utilizada uma central inercial de 9 graus de liberdade, constituída de um acelerômetro, um girômetro e um magnetômetro. Os sensores são responsáveis por fornecer os dados de aceleração nos três eixos, velocidade angular em torno dos três eixos e posicionamento angular em torno dos três eixos. Para aquisição da velocidade angular tanto da roda dianteira quanto da roda traseira da bicicleta, foram instalados sensores de efeito hall fixos no quadro da bicicleta e imãs na roda da bicicleta. Cada vez que um imã passa próximo ao sensor, um pulso é emitido pelo sensor e é processado pelo microcontrolador. O ângulo de esterçamento do guidão da bicicleta em relação ao quadro é medido por um mecanismo de engrenagens associado a um potenciômetro. Quando o ciclista promove esterçamento da bicicleta, ocorre uma variação angular no potenciômetro que é processada pelo microcontrolador. Para avaliar as condições de frenagem da bicicleta, foram instalados potenciômetros nos manetes de freio da bicicleta. No momento em que o ciclista pressiona o manete, ocorre uma variação angular no potenciômetro, e essa variação é processada pelo microcontrolador. Figura 3 Manete de freio instrumentada

Figura 4 Arquitetura do sistema O microcontrolador utilizado foi o ATmega328P na plataforma de prototipagem Arduino.

4 O armazenamento de todos os dados é feito em um cartão microsd, além de serem transmitidos por um link de telemetria para um computador. Esse link de telemetria permite o acompanhamento em tempo real dos parâmetros durante a realização de testes. A figura 4 mostra a arquitetura da eletrônica embarcada. Figura 4 Arquitetura do sistema O microcontrolador utilizado foi o ATmega328P na plataforma de prototipagem Arduino. Para acoplar todos os sensores utilizados e facilitar sua integração com o microcontrolador foi desenvolvida uma placa de circuitos impressos para ser utilizada como um shield no Arduino. O circuito foi desenvolvido no software de prototipagem de placas de circuito Eagle PCB Design. A figura 5 mostra o projeto do circuito. Figura 5 Projeto da Eletrônica Embarcada

O projeto da placa foi feito de acordo com a norma ABNT-NBR-IEC 62326-1 que diz respeito ao dimensionamento e espaçamento de trilhas para placas de circuito.

5 O projeto da placa foi feito de acordo com a norma ABNT-NBR-IEC que diz respeito ao dimensionamento e espaçamento de trilhas para placas de circuito. A mesma foi fabricada na máquina CNC prototipadora de circuitos LPFK Protomat S103 no Laboratório de Prototipagem e Desenvolvimento Eletrônico da PUC-Rio. A figura 6 mostra a placa de circuito junto do microcontrolador e seus componentes. Figura 6 Eletrônica Montadas Conclusão Até o presente momento foi realizado o desenvolvimento e a instalação da eletrônica embarcada na bicicleta. O próximo passo do projeto é a realização de testes para validar o modelo. Referências 1 SPERANZA NETO, M. Modelos de bicicletas e motocicletas para análise, simulação e síntese do controle de estabilidade e de trajetória. Departamento de Engenharia mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, Brasil. Julho de 2011 (revisão em Agosto de 2013). 2 - SPERANZA NETO, M. Modelos para a análise da dinâmica longitudinal de bicicletas. Departamento de Engenharia mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Notas de aula. Rio de Janeiro, Brasil. Maio de NABINGER, J. S. B. Análise Dinamométrica Tridimensional da Pedalada de Ciclistas. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica). Porto Alegre: UFRGS, STEVENS, D. The Stability and Handling Characteristics of Bicycles. Final Project (Bachelor of Mechanical Engineering). Australia: University of New South Wales, 2009

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