Congresso de Inovação, Ciência e Tecnologia do IFSP

Tamanho: px

Começar a partir da página:

Download "Congresso de Inovação, Ciência e Tecnologia do IFSP"

Tiago de Figueiredo Henriques
5 Há anos
Visualizações:

1 Congresso de Inovação, Ciência e Tecnologia do IFSP CONTROLADOR PID APLICADO A PROGRAMAÇÃO DE ROBÔ MÓVEL THAIS JULIA BORGES RIBEIRO 1, MASAMORI KASHIWAGI 2 1 Técnico em Automação Industrial, Bolsista CNPq ITI-A, IFSP, Câmpus Suzano, thaisborges72@hotmail.com 2 Professor EBTT, IFSP, Câmpus Suzano, masamori@ifsp.edu.br Área de conhecimento (Tabela CNPq): Engenharia Mecatrônica Apresentado no 7 Congresso de Iniciação Científica e Tecnológica do IFSP 29 de novembro a 02 de dezembro de Matão-SP, Brasil RESUMO: O objetivo deste projeto é o desenvolvimento de um software seguidor de linha para a plataforma LEGO Mindstorms utilizando controlador PID, visando obter uma resposta mais rápida e precisa comparado aos métodos que não utilizam algoritmos de controle, obtendo desempenho indesejável em curvas mais acentuadas. PALAVRAS-CHAVE: Controlador PID; Linguagem NXC; Robô Lego. PID CONTROLLER APPLIED TO MOBILE ROBOT PROGRAMMING ABSTRACT: The objective of this project is the development of a line follower software for LEGO platform Mindstorms using PID controller, to obtain a faster response and precise compared to methods that do not use control algorithms, obtaining undesirable performance steeper curves. KEYWORDS: PID controller; NXC Language; Lego Robot. INTRODUÇÃO Os servos motores da Lego não desenvolvem exatamente as mesmas velocidades apesar de dar os mesmos comandos de potência nos motores. Pode ser devido à pequena diferença na construção dos motores, bem como o ambiente exterior ou às próprias diferenças de rodas que pode resultar em um motor com a rotação mais rápida do que o outro e consequentemente o robô não deve percorrer uma trajetória retilínea. Fora esta diferença, temos que fazer percorrer a trajetória curvilínea. Sendo assim, há necessidade de controlar o percurso do Robô que siga um determinado percurso, seja linha reta ou curvilínea sobre uma linha preta. Um robô seguidor de linha pode ser construído com vários sensores de luz, tomando decisões opostas quando os sensores detectam uma tendência de sair de um lado e também para o lado oposto, estas reações são de mesmas intensidades ocasionando movimentos bruscos. Neste trabalho limitou-se a um único sensor de luz Mindstorms para economizar pelo menos um slot de um sensor e seguir a linha utilizando controlador PID.

2 Para seguir a linha será feito um controlador PID e assim garantir uma maior precisão em relação ao controle dos servos motores. Apesar de ter apenas um único sensor o robô pode ter a capacidade de acompanhar a linha de grande precisão, mesmo com as existências de curvas na linha. Dentre as formas de controle de sistemas existe o controle proporcional integral - derivativo (PID), que é composto por três coeficientes: Kp; Ki; Kd; que são respectivamente ganho proporcional, ganho integral, e o ganho derivativo, estes coeficientes são empregados para a obtenção de um resultado mais satisfatório. Controle PID pode ser empregado em sistemas de malha fechada, ou seja, sistemas com retroalimentação que são sistemas onde a partir de uma comparação entre o estado esperado na saída com o seu estado real, o controlador recebe os dados e atua de forma a fazer com que a saída seja alterada para o seu valor esperado, no melhor caso, ou o mais próximo possível. MATERIAL E MÉTODOS Este trabalho apresenta a metodologia de desenvolvimento de um software seguidor de linha para a plataforma LEGO Mindstorms utilizando controlador PID. Foi utilizado um sensor de luminosidade para identificar a cor preta do circuito a ser seguido e um sensor ultrassônico para controle de distância que relacione a potência do motor e à distância de um objeto. Sua programação foi feita em linguagem NXC, cuja utilização no LEGO Mindstrom é possível com o Bricx Command Center (BricxCC Centro de Comando Bricx), que é um ambiente de programação que ajuda a escrever seus programas e fazer o download deles para o robô. O controlador PID foi ajustado utilizando método de tentativa e erro, devido à falta de uma planta. Foram feitos testes obtendo o tempo médio que o robô gastava para completar um determinado circuito comparando-o com robôs que não utilizavam técnicas de controle. O modelo matemático, descrito abaixo, é usado para desenvolver um controlador PID utilizando critério de estabilidade por meio do método de Ziegler Nichols modificado. Para testes reais desse controle, é utilizado o Kit robótico Lego Mindstorms NXT, que contém um controlador lógico programável que é conectado a vários componentes: Sensor ultrassônico, sensor de luz e servos motores. Equação PID: em que, e- erro; r- valor da referência; y- valor lido pelo sensor; E- erro acumulado; vve- velocidade de variação do erro; u- potência aplicada pelo controlador ao motor eant- Diminui a ação da derivada; kp- ganho proporcional; ki- ganho integral; kd- ganho derivativo;

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Dentre as principais necessidades de um bom sistema de controle estão: estabilidade, alcançar o objetivo e robustez. No caso do controle PID, o coeficiente proporcional contribui para a estabilidade do sistema, o coeficiente integral contribui para a rejeição de distúrbios, mas tem uma taxa lenta de resposta, o que pode causar oscilações. Enquanto que o componente derivativo contribui com respostas mais rápidas aos distúrbios. Essa analise foi obtida em testes realizados em tempo real. Para realizar o controle de distância de um objeto é necessário um modelo que relacione a potência do motor e à distância de um objeto. Com base nesse princípio, foi desenvolvido um modelo matemático que representa o robô. No controle PID, trabalhamos com valores de erro, ou seja, com a diferença entre um valor de referência, ou objetivo (parar a 15 cm de distância de um objeto), e o valor de fato percebido pelo sensor (Ultrassônico), a programação foi feita através do cálculo de PID e assim obtivemos o valor de potência de motores. No desenvolvimento da programação para o robô seguir linha com controle PID, foi utilizado o método de ele se guiar pela borda da linha onde a referência foi determinada pela média entre branco e preto, foi definido um valor de potência para quando o robô seguisse em linha reta ou, seja quando ele atingir o valor da referência e também foi definido um valor de potência para somar com o valor obtido pelo cálculo de PID. A programação usada para o robô seguir linha com controle PID está descrita abaixo na Figura 1 é mostrado o programa principal e a Figura 2 as funções. Figura 1: Seguidor de Linha Programa Principal

Figura 2: Seguidor de Linha Funções do Programa A programação foi dividida em três partes, programa principal que declara o sensor usado, faz o laço de repetição e as duas condições possíveis, se o

4 Figura 2: Seguidor de Linha Funções do Programa A programação foi dividida em três partes, programa principal que declara o sensor usado, faz o laço de repetição e as duas condições possíveis, se o sensor de luminosidade vê diferente da referência chama a função do cálculo de PID, se vê o valor da referência o robô vai pra frente com a potência determinada como foi descrito acima. A função PID faz o cálculo onde se obtém o valor de ajuste e chama a função que controla o motor. Essa função determina o valor da potência dos motores como foi descrito acima. Esse método com controle PID foi analisado com o de controle on off onde não se têm uma forma de controle precisa, e se nota o grão de exatidão com um controle mais sofisticado, mas o método utilizado para encontrar os parâmetros, via tentativa e erro é uma tarefa demorada e trabalhosa pois os valores de Kp, Ki e Kd variam de 0,01 a 100. O robô usado nesse projeto pode ser visualizado na Figura 3. Figura 2: Robô usado no projeto

5 CONCLUSÕES O estudo do controlador PID mostra que o ajuste do controlador depende do que o especialista em automação/programador considera um bom desempenho quando o sistema é sujeito à perturbação. O sistema de malha fechada PID deve atender as seguintes condições: o sistema de controle deve estar estável; os efeitos das perturbação devem ser minimizados; resposta rápida para variação no setpoint; erro em regime permanente (offset) deve ser eliminado; sistema deve ser robusto, isto é, pouco sensível às variações nas condições do processo e perturbação. Para obter os melhores parâmetros para um controlador PID é feita a soma ponderada destes três fatores de ajustamento que constitui o ajuste de potência que é aplicada à potência do motor para produzir a (espera) e corrigir a velocidade real. Com isso podemos concluir que através de comparações em testes feitos em tempo real o método que utiliza controle PID na plataforma Lego e muito mais eficaz para evitar oscilações, preciso em curvas mais acentuadas e tem uma resposta mais rápida assim tendo melhor desempenho para seguir linha. AGRADECIMENTOS O meu orientador Masamori Kashiwagi pelo apoio acadêmico e acompanhamento do projeto e ao CNPq pelo apoio financeiro durante o ano de REFERÊNCIAS BARROS, L.; PEREIRA, V: USANDO ROBÔS LEGO MINDSTORM EM SALA DE AULA, de 23 a 26 de set Disponível em:< Acesso em: 20 abr Benedettelli, Daniele Programming LEGO NXT Robots using NXC FRANCHI, MORO. Controle de Processos industriais princípios e aplicações, LEGO Mindstorms Education.2006.NXC User Guide. Dísponível em: Acesso em: set

Documentos relacionados

1 RESUMO. Palavras-chave: Controle, encoders, motor CC. 2 INTRODUÇÃO

1 RESUMO. Palavras-chave: Controle, encoders, motor CC. 2 INTRODUÇÃO 1 RESUMO Na sociedade moderna se tornou cada vez mais presente e necessário meios de controlar dispositivos levando em consideração precisões maiores e perdas menores. Em diversos cenários o controle de