Nível 1 e 2 (10 a 19 anos)

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1 Módulo Básico Nível 1 e 2 (10 a 19 anos) Arduino para robótica Versão: 1.0

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3 Cap ıtulo 1 O c erebro do robˆ o Ol a robonauta! Bem vindo ao fascinante universo da rob otica livre. Neste cap ıtulo n os iremos conhecer e falar sobre o c erebro do robˆ o. Isso ai! O robˆo tamb em tem um c erebro. N ao e exatamente como o nosso mas o c erebro do robˆ o funciona como um pequeno computador que permite ao robˆ o tomar decis oes como: se mover, virar a esquerda, acender uma luz, pegar um objeto e at e mesmo falar com as pessoas. Quer entender como isso tudo funciona? Ent ao continue lendo e tenha uma otima viagem por este incr ıvel e fant astico mundo da rob otica. 1.1 Introdu c ao ao Arduino Existem v arios componentes e equipamentos eletrˆonicos que podem ser usados como c erebro para um robˆo. Entre eles est a o Arduino. O Arduino e descrito como uma plataforma de prototipagem eletrˆonica de hardware livre. Chamar o Arduino de uma plataforma de prototipagem eletrˆ onica significa dizer que ele cont em v arias coisas que permite a vocˆe criar seus pr oprios projetos eletrˆ onicos sem ter que construir toda a eletrˆ onica. Isto e bom, pois se vocˆe est a come cando agora seu contato com essa tecnologia, n ao ser a necess ario ser um t ecnico ou engenheiro para poder fazer seus robˆ os. Basta vocˆe entender o que vamos ensinar neste cap ıtulo e vocˆe j a ser a capaz de come car seus projetos. O Arduino utiliza um microcontrolador para processar as informa c oes que s ao lidas em suas entradas e, de acordo com um programa que foi feito pelo usu ario (no caso vocˆe), ele e capaz de comandar coisas como lˆampadas, motores autofalantes. O microcontrolador e um dispositivo eletrˆonico que faz ent ao o papel de c erebro do robˆ o e juntamente com outros componentes eletrˆonicos, ele forma a placa Arduino que vocˆe pode ver na Figura 1.1. Para entender melhor como o arduino funciona imagine 1

4 Capítulo 1. O cérebro do robô Figura 1.1: Foto de um Arduino UNO. o seguinte: Que você vai tomar um banho e, portanto, abre a torneira de água. Antes de ficar em baixo do chuveiro você coloca a mão na água e verifica se ela está quente. Se estiver muito quente você abre mais um pouco a torneira ou muda o botão de seleção do chuveiro para o modo verão (água mais fria). Certo? Para que você tenha a informação se a água está quente ou fria você precisa usar um sensor, ou seja, a pele da sua mão. O seu computador, quero dizer, o seu cérebro, recebe a informação do seu sensor (pele) de como está a temperatura da água. O seu cérebro decide então se vai mandar um comando para o seu atuador (sua mão) de abrir mais ou menos a torneira ou trocar o botão de posição. Da mesma forma, para que um robô possa interagir com o nosso mundo, ele precisa ter: sensores que vão lhe dar informações sobre as coisas ao seu redor (temperatura, distância ou cor de um objeto, velocidade); cérebro (Arduino) que vai processar as informações; atuadores que vão interagir com o mundo como por exemplo: motores, ventiladores, garras robóticas e autofalantes. Neste capítulo nós vamos falar apenas do cérebro, o Arduino, e de como ele consegue então processar as informações e tomar as decisões que fazem o robô realizar alguma tarefa. É importante você sempre se lembrar que cada robô só pode fazer a tarefa que ele foi programado e construído para fazer. Podemos dizer que você tem que ensinar o robô como realizar uma tarefa. Para isto, você vai usar o que chamamos de programação. A programação envolve uma linguagem, ou seja, uma sequência de regras e comandos que vão dizer ao Arduino como processar as informações. Consequentemente, você estará usando a linguagem de programação para ensinar o arduino o que fazer. Mas antes de conhecer a linguagem de programação do Arduino, é importante saber como o arduino funciona e quais são suas partes. 2

5 1.2. A estrutura do Arduino Figura 1.2: Destaque de alguns componentes de uma placa Arduino UNO. 1.2 A estrutura do Arduino O Arduino que iremos utilizar é o modelo chamado UNO. Para entender como o arduino funciona é importante conhecer suas partes. O principal componente do arduino é o microcontrolador que você pode ver na Figura 1.2. Este microntrolador é o responsável pelo Arduino poder pensar. É nele que iremos gravar o programa que fará o robô poder realizar alguma função como andar. Para que o microcontrolador possa receber as informações e interagir com o mundo ao seu redor, o Arduino precisa ter algumas portas de comunicação. Estas portas podem basicamente ser digitais ou analógicas. O que isso quer dizer? Se a porta for digital siginifica que ela trabalha com informações do tipo verdadeiro ou falso, também chamados de 1 ou 0 ou ainda de HIGH ou LOW. Então, nestas portas podemos enviar informações para o arduino de se a porta está fechada, ou se o robô está vendo uma linha preta ou branca no chão ou ainda se vamos ligar ou desligar o motor. Podemos dizer então que vamos associar a palavra HIGH para quando queremos que o robô ligue seu motor e LOW para quando ele deverá desligar o seu motor. Quando a porta é analógica podemos trabalhar com mais de dois valores e não somente dois como nas portas digitais. Então, podemos informar para o Arduino o valor da temperatura da sala em que o robô se encontrar ou a distância entre o robô e a parede. Podemos também, dizer para o Arduino qual a velocidade que ele deve acionar o motor do robô. Para resumir podemos dizer que as portas digitais podem trabalhar com informações que são descritas apenas por dois valores como ligado e desligado, verdadeiro e falso e as portas analógicas podem trabalhar com diversos valores como a velocidade do robô. As portas do Arduino podem então receber ou enviar informações ou valores. Quando a porta recebe uma informação de um sensor (ou botão), ela envia essa informação para o microcontrolador do arduino. Estas portas que leem informações são chamadas de portas de entrada. Então, se a 3

6 Capítulo 1. O cérebro do robô informação é digital, ou seja, possui apenas dois valores, a porta é chamada de porta de entrada digital. Se for uma porta de saída que envia apenas dois valores ela é chamada de porta de saída digital. O Arduino UNO possui 13 portas digitais que podem ser configuradas para trabalhar como entrada ou saída. O microncontrolador, então, precisa ser programado para fazer algo com essa informação. Por exemplo: O Arduino UNO possui também 6 portas de entrada analógica e 6 portas de saídas PWM que iremos falar mais sobre elas em outro capítulo. Você pode ver a localização das portas do arduino na Figura A linguagem de programação do Arduino Além das portas digitais e analógicas, o Arduino UNO possui também uma porta USB que é utilizada para que ele se comunique com o computador. Porque é necessário que o Arduino se comunique com o computador? Para fazer fofoca da vida alheia, claro! Brincandeira. Lembra que o Arduino precisa ser programado para poder executar alguma função? Então, o programa, ou seja, os comandos ou ordens que vamos passar para o Arduino são digitados no computador, em um software chamado de interface Arduino ou IDE. Assim, você poderá criar o seu programa usando a interface IDE e depois precisará enviar este programa para o microntrolador que está no Arduino. A linguagem de programação utilizada no Arduino é baseada na linguagem C. Uma linguagem de programação é um conjunto de regras e palavras que nos permite dar ordens a um computador ou um microcontrolador (como o que existe na placa Arduino) para que ele possa executar uma tarefa. A sequência de comandos que nós enviamos para a memória do microcontrolador é chamada de algoritmo. Então, programar um robô significa criar um algoritmo que faça o robô agir da forma que nós esperamos que ele funcione. E sim, o Arduino tem memória! É nela que ele grava o programa que nós iremos fazer e também as informações que ele recebe e envia para as portas. 1.4 A linguagem C Neste capítulo nós vamos apenas mostrar um ideia de como é a linguagem C aplicada ao Arduino. Vamos deixar para nos aprofundarmos nela de forma gradual ao longo do curso. O importante agora é entender como funciona uma linguagem de programação quando ela é embarcada em um microntrolador. Embarcar siginifica dizer que ela será executada dentro de um hardaware eletrônico. Um hardaware é um equipamento físico, que nós podemos tocar, como é o caso da placa do Arduino. Para ficar mais fácil de entende vamos começar com um exemplo de um algoritmo. Considere que queremos acender uma lâmpada toda vez que um botão estiver apertado. Assim precisaremos seguir a seguinte sequência: 1. Verifique se o botão está apertado. 2. Ele está apertado? Se ele estiver apertado, então ligue a lâmpada. 3. Se ele não estiver apertado, então desligue a lâmpada. Entendeu robonauta? Só que o computador não entende a nossa lingua, o português, então temos que fazer essas mesmas perguntas e instruções na forma de um programa que o computador entenda, e no caso do Arduino, usando a linguagem C. Em outro capítulo irei explicar melhor como fazemos para o computador entender a linguagem C. Por enquanto vamos nos preocupar em fazer nosso primeiro programa, ok? Mas antes precisamos pensar um pouco sobre como fazer o programa acima. Pense comigo: para o Arduino mandar um comando para ligar ou desligar a lâmpada ele precisa saber se o botão está apertado ou não. Então, ele precisa ler a informação sobre o botão e o botão precisa estar ligado a uma entrada digitail do Arduino. Por que digital? Porque a informação que nós queremos possui apenas dois valores, ou seja, o botão só pode estar ligado ou desligado. Na linguagem 4

7 1.5. Comunicando com o Arduino do Arduino nos vamos dizer que ligado = HIGH e que desligado = LOW. Mas onde fica guardado no arduino está informação sobre o estado (HIGH ou LOW) do botão? A resposta é: na memória do arduino. Para nós guardarmos está informação na memória do arduino, nós vamos precisar de uma coisa chamada variável. A varíavel nos fala em que lugar da memória está guardada uma informação e de qual tipo é esta informação. Precisamos, também, dar um nome para está variável para que possamos nos referir a ela no nosso programa. Para o nosso exemplo do botão e da lâmpada vamos chamar o estado em que se encontra o botão (apertado ou não) de estadobotao. Desta forma, podemos dizer que: Se estadobotao for igual a LOW, então o botão não está sendo apertado e que: Se estadobotao for igual a HIGH, então o botão está sendo apertado. Existem diversos comandos e variáveis na linguagem C que nós iremos aprender ao longo do curso. Mas antes vamos aprender a nos comunicarmos com o arduino e verificar se ele está funcionando. 1.5 Comunicando com o Arduino Para comunicarmos com o Arduino é necessário antes instalar a IDE de programação. Para isto, nós vamos baixá-la do site do Arduino: A seguinte tela irá aparecer: Figura 1.3: Página oficial do arduino. Nesta página você irá clicar em download e a seguinte tela irá aparecer: 5

8 Capítulo 1. O cérebro do robô Figura 1.4: Baixando a IDE do Arduino do site oficial. O download irá começar. Quando o arquivo estiver sido baixado para o computador, basta instalálo como se faz com os demais programas do seu sistema operacional. Você também podem baixar a pasta compacta ao invés do instalador. Após instalado você poderá clicar no arquivo com o nome Arduino e a tela inicial será aberta, como mostra a figura abaixo: Figura 1.5: Interface IDE. 6

9 1.6. Criando nosso primeiro programa 1.6 Criando nosso primeiro programa Abra então a interface IDE do Arduino, dando um clique duplo sobre o ícone do Arduino que estará na sua área de trabalho após a instalação. Para que você possa começar a entender como utilizar a interface de programação, nós vamos utilizar um programa exemplo fornecido junto com a IDE. Para isto basta você clicar no menu File e você verá a opção Examples. Nela você encontrará diversos programas prontos do Arduino. Vamos começar com o programa que faz um LED interno da placar do Arduino piscar. Este LED está conectado na porta 13. Para abrir este exemplo clic em File, Examples, 01.Basics e por último em Blink. A seguinte tela irá aparecer: Figura 1.6: Programa exemplo que faz um LED piscar. Com este exemplo podemos começar a entender como um programa Arduino é construído. Este programa pode ser divido básicamente em três partes: 1. declaração das variáveis; 2. função de inicialização setup; 3. função principal loop. Uma função pode ser entendida com um conjunto de comandos, ou seja, uma parte do algoritmo (programa). A figura abaixo mostra qual é cada parte para o programa de exemplo. 7

10 Capítulo 1. O cérebro do robô Figura 1.7: Partes básicas de um programa em Arduino. 1.7 Entendendo o código Vamos entender agora cada parte do código. Na primeira parte é feita a declaração das variáveis. Como você deve se lembrar, as variáveis são usadas para sabermos onde estamos armanezando valores dentro do Arduino. Existem tipos diferentes de variáveis como falamos antes. Algumas são apenas dois valores: ligado ou desligado (1 ou 0, HIGH ou LOW) e outras podem assumir mais valores como por exemplo, 13, 156, 1023 e outros. Para o Arduino poder trabalhar corretamente com as variáveis, nós que informar para ele qual é o tipo de variável que vamos usar, ou seja, qual tipo de informação queremos trabalhar. Um tipo de variável presente na linguagem C e no Arduino é a variável inteira. A variável inteira é representada pelo acrônimo int. 8

11 1.7. Entendendo o código Figura 1.8: Partes básicas de um programa em Arduino. Neste exemplo, o objetivo é fazer o LED, que encontra-se na placa do Arduino UNO, piscar (Ver Figura 1.8). Ele está conectado ao pino 13. As linhas de código que são mostrados no programa exemplo Blink que possuem o símbolo % na frene são apenas comentários e não fazem parte do programa. Comentários são utilizados para descrever o que o programa e cada linha do programa faz. Desta forma fica fácil qualquer pessoa entender o objetivo do nosso programa quando colocamos comentários nele. No caso do exemplo, os comentários estão na lingua inglesa. Assim, a primeira linha de código que não é um comentário é: int led = 13; Isto significa que estamos declarando uma variável do tipo inteira (int) chamada led e que atribuimos a ela o valor 13. Nós iremos utilizar esta variável led para falar para o Arduino qual é o pino que vamos ligar o nosso led. Neste caso, o led já está conectado ao pino 13 do Arduino, por isso atribuimos o valor 13 à variável led. Após declaramos as variáveis (neste caso a variável), passamos para a segunda parte do código que é a função setup. Esta função é usada basicamente para configurarmos algumas coisas na placa do Arduino, dentre elas, quais pinos serão usados como entradas digitais e saídas digitais. Como queremos ligar o led, o pino 13 tem que ser usado como uma saída digital que enviará um sinal de tensão elétrica (cenas dos próximos capítulos) para o led, fazendo o led acender. Isto funciona como colocar pilha numa lanterna para ela acender. Figura 1.9: A função setup Como pode ser visto na Figura 1.9, a linha de código que contem a função setup começa com a palavra void. Essa palavra informa a IDE que setup é uma função. Entraremos em detalhes sobre 9

12 Capítulo 1. O cérebro do robô o uso da palavra void em outros capítulos. O importante agora é saber que sempre começamos a função setup pela sequência: void setup() { Os comandos que vamos escrever dentro da função setup precisam estar entre os símbolos { e }. No nosso exemplo, nós temos apenas o comando: pinmode(led,output); O comando pinmode permite selecionarmos se os pinos digitais (de 1 a 13) da placa do Arduino UNO funcionarão como entradas (INPUT) ou saídas digitais (OUTPUT). Você pode ver na Figura 1.9 que após o comando pinmode, é aberto um parenteses ( e em seguida temos a variável led. Lembre-se que na declaração de variáveis nós configuramos a variável led para receber o valor 13. Assim, quando colocamos ela após o parenteses, estamos usando a função pinmode para configurar o pino 13 como saída por causa do uso da palavra OUTPUT(led,OUTPUT). É necessário separar a palavra led da palavra OUTPUT por uma virgula. Depois o parenteses é fechado ) e colocamos um sinal de ponto e virgula (;). Todo comando no Arduino precisa ser finalizado com este sinal. Para finalizar a função setupusamos a chave }. Após configurarmos o pino que será usado para acender o led precisamos fazer o programa que irá fazer com o led pisque. Este programa esta na terceira parte do código como pode ser visto na figura abaixo: Figura 1.10: A função loop Nesta terceira parte nos temos a função principal chamada de função loop. A palavra loop vem do inglês e pode ser definida como ciclos. Ou seja, se nós tivermos 3 comando dentro da função loop (limitados pelos símbolos { e }), eles serão executados em sequência, ou seja, será executado o primeiro comando, depois o segundo e por último o terceiro. Porém, quando o último for executado, a função loop volta ao seu ínicio e começa a executar o primeiro novamente. Por isso se chama ciclo. Ela fará isso até desligarmos o Arduino. Olhando para a Figura 1.10 nos vemos um novo comando, o digitalwrite. A palavra write é um verbo em inglês que significa escrever. Assim, o comando digitalwrite é usado para escrever valores nas portas de saída digitais. Como elas são portas digitais, só podemos escrever dois valores: LOW ou HIGH. Escrever um valor LOW na saída digital significa que o Arduino irá aplicar 0 Voltas de tensão elétrica na porta. Aplicar 0 Volts no LED, isso fará com que ele fique apagado. Ao escrever HIGH na porta 13 na qual nosso led está ligado fara com que o Arduino aplique 5 V mp led e ele irá acender. Entendeu? Então podemos pensar sobre como funciona o código da parte três. Veja a primeira linha de código dentro da função loop: digitalwrite(led,high); Este comando então faz com que o valor HIGH seja escrito na porta 13 (lembrando que à variável led foi atribuído o valor 13). Portanto, o led irá acender. Em seguida, aparece o comando delay. A palavra delay significa atraso (neste caso pode ser entendida como esperar). Assim, o arduino irá esperar o valor de 1000 milisegundos (igual a 1 segundo) antes de ir para a próxima linha e executar o próximo comando. Na próxima linha o comando digitalwrite se repete, porém agora, o valor escrito na porta 13 é LOW, ou seja, o led irá apagar. Novamente, o comando delay(1000); é usado para que o Arduino espere mais 1 segundo antes de pular para a próxima linha de código. Ops! Não há outra linha de código. Então, o Arduino irá voltar a linha: 10

13 digitalwrite(led,high); Lembre-se que estamos na terceira parte, a função loop, ou seja, o Arduino ao terminar a última linha de código irá voltar a primeira, e assim, acenderá o LED novamente e ficamos num ciclo continuo acendendo e apagando o LED com intervalos de 1 segundo que foi configurado no comando delay. Vamos testar? Para mandar o programa para dentro do Arduino você precisará conectar o cabo USB no Arduino e no computador. Então basta clicar na seta no canto superior esquerdo da IDE que o programa será enviado ao Arduino. Veja na Figura abaixo: Figura 1.11: Enviando o programa para o Arduino. Agora mude o valor de 1000 para 2000 em um dos comandos delay e envie novamente o programa para o Arduino. Pense sobre o que aconcenteu! Espero que tenha gostado desta aula. Nós vemos em breve!

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15 O Núcleo de Cibernética e Tecnologias Assistivas (CyRoS) é um grupo de trabalho ligado ao Departamento de Engenharia Elétrica (DEPEL) da Universidade Federal Federal de São João del-rei (UFSJ) e a rede nacional de núcleos de pesquisas em tecnologias assistivas do Ministério da Ciencia, Tecnologia e Inovação (MCTI). O Núcleo possui diversos trabalhos de pesquisa, ensino, extensão, desenvolvimento e inovação nas áreas de robótica, tecnologias assisitivas e sistemas inteligentes. Estes trabalhos são agrupados em cinco grandes projetos: UAIrobots, UaiSoccer, UAIrobots Junior, UAIrobots EKO e UAIrobots Assistant. Sendo o UAIrobots Junior responsável pela área de robótica educacional do CyRoS. Este material é de propriedade da Universidade Federal de São João del-rei (UFSJ) e só pode ser reproduzido e distribuído por meio de autorização de seus autores e de forma integral, incluindo-se logomarcas e contatos. Núcleo de Robótica e Tecnologias Assistivas - CyRoS Universidade Federal de São João del-rei