alex archela arquitetura embarcada reativa de hardware e software para controle de robô móvel ...

104 Pages·2014·3.66 MB·Portuguese

ALEX ARCHELA

ARQUITETURA EMBARCADA REATIVA DE HARDWARE E
SOFTWARE PARA CONTROLE DE ROBÔ MÓVEL
AUTÔNOMO

Londrina
2014
ALEX ARCHELA

ARQUITETURA EMBARCADA REATIVA DE HARDWARE E
SOFTWARE PARA CONTROLE DE ROBÔ MÓVEL
AUTÔNOMO

Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Departamento de
Engenharia Elétrica da Universidade
Estadual de Londrina, como requisito parcial
à obtenção do título de Bacharel em
Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Leonimer Flávio de
Melo

Londrina
2014
ALEX ARCHELA

ARQUITETURA EMBARCADA REATIVA DE HARDWARE E
SOFTWARE PARA CONTROLE DE ROBÔ MÓVEL
AUTÔNOMO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao Departamento de Engenharia Elétrica da
Universidade Estadual de Londrina, como
requisito parcial à obtenção do título de
Bacharel em Engenharia Elétrica.

BANCA EXAMINADORA

____________________________________
Orientador: Prof. Dr. Leonimer Flávio de Melo
Universidade Estadual de Londrina - UEL

____________________________________
Prof. Dr. Aziz Elias Demian Junior
Universidade Estadual de Londrina - UEL

____________________________________
Prof. Dr. Francisco Granziera Júnior
Universidade Estadual de Londrina - UEL

Londrina, 16 de novembro de 2014.

AGRADECIMENTO (S)

Agradeço a Deus pela oportunidade de desenvolver este trabalho. À
meu orientador, prof. Dr. Leonimer Flávio de Melo, pela orientação. Gostaria de
agradecer também ao técnico de laboratório pelo suporte necessário para o
desenvolvimento deste trabalho.
ARCHELA, Alex. Arquitetura Embarcada Reativa de Hardware e Software para
Controle de Robô Móvel Autônomo. 2014. 101. Trabalho de Conclusão de Curso
(Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina,
2014.

RESUMO

Neste trabalho apresentar-se-á o estudo e desenvolvimento do projeto físico de um
veículo terrestre autônomo, bem como o desenvolvimeto de um software capaz de
fazer os tratamentos de dados necessários para que cada sensor trabalhe em
comum acordo para o funcionamento deste. O desafio proposto a este projeto, foi
construir um código capaz de reagir ao ambiente de forma que pudesse ser utilizado
para desenvolvimento de robôs móveis de baixo custo. Portanto os recursos
implementados no projeto são os menores possíveis, de forma que este
reconhecimento ainda possa ser feito de forma satisfatória. Serão apresentados,
ainda, as técnicas utilizadas para a construção do protótipo, comentando-se os
resultados positivos e negativos de cada etapa até a obtenção do protótipo final. O
veículo criado neste trabalho possui tanto o sistema de detecção de obstaculos,
como um controle de velocidade de baixo custo baseado no controlador PID, de
forma a possibilitar uma trajetória próxima da linear para o deslocamento do veículo.

Palavras-chave: Robótica móvel. Controlador PID. PIC18F452. Sistema
Embarcado. Veículo Terrestre Autônomo.
ARCHELA, Alex. Embedded Reactive Architecture of Hardware and Software to
Control Autonomous Mobile Robotics. 2014. 101. Trabalho de Conclusão de
Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina,
Londrina, 2014.

ABSTRACT

In this work will be presented the study and development of the physic project of a
autonomous terrestrial vehicle and the development of a software capable of do the
treatment of necessary data so that each sensor works in concert for the operation of
this prototype. The challenge posed to this project was to build a code capable of
react to the ambient so that could be used to development a low cost mobile vehicle.
Therefore, the resources implemented on this project are the smallest possible, such
that this recon still can be made with a satisfactory way. Will be presented, yet, all the
techniques used for the construction of the prototype, commenting the results
positives and negatives for each step until obtain the final prototype. The vehicle
build of this work has both the obstacle detection system as a low-cost speed control,
based on PID controller, so that a close to linear trajectory can be made for the
vehicle displacement.

Key words: Mobile Robotic. PID Controller. PIC18F452. Embedded System.
Autonomous Land Vehicle.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 2.1 – Robôs móveis Flo (esquerda) e Pearl (centro e direita), desenvolvidos
pelo projeto Nursebot ............................................................................................... 16
Figura 2.2 – Cadeira de rodas, iBot, desenvolvida pela parceria entre DEKA e
Johnson and Johnson’s Independence Technology ................................................. 17
Figura 2.3 – Aspirador de pó, Trilobite, desenvolvido pela Electrolux ..................... 18
Figura 2.4 – AIBO, robô móvel de entretenimento, desenvolvido pela Sony ........... 18
Figura 2.5 – R-Gator, veículo militar autônomo desenvolvido pela parceria entre
iRobot Corporation e John Deere ............................................................................. 19
Figura 2.6 – Inspector Bot, robô móvel autônomo desenvolvido pela Eventronic para
inspeção de tubos .................................................................................................... 19
Figura 2.7 – CleanBot, robô móvel autônomo desenvolvido pela Eventronic para
limpeza de tubos ...................................................................................................... 20
Figura 2.8 – Modelo de robô móvel com rodas acionado por tração diferencial ..... 20
Figura 2.9 – Planos de referência global e local do robô ......................................... 22
Figura 2.10 – Sistema de controle de velocidade de um motor DC ......................... 27
Figura 2.11 – Circuito equivalente do controle de um motor usando o método de
controle de tensão na armadura ............................................................................... 29
Figura 2.12 – Diagrama de blocos do sistema de controle de um motor DC por
controle da tensão de armadura. .............................................................................. 31
Figura 2.13 – Sinal PWM com diferentes razões cíclicas ........................................ 32
Figura 2.14 – Diagrama de blocos do método analógico de geração de PWM ....... 35
Figura 2.15 – Circuito analógico gerador de sinal triangular dente-de-serra ........... 35
Figura 2.16 – Circuito de ponte H com operação nos quatro quadrantes ............... 37
Figura 2.17 – Operação do primeiro quadrante da ponte H com tensão e corrente
positivas, sobre a carga ........................................................................................... 38
Figura 2.18 – Operação do primeiro quadrante da ponte H com tensão igual a zero,
sobre a carga ........................................................................................................... 39
Figura 2.19 – Operação do segundo quadrante com tensão negativa e corrente
positiva, sobre a carga ............................................................................................. 40
Figura 2.20 – Modo de operação do terceiro quadrante com a corrente sobre a
carga aumentando ................................................................................................... 41
Figura 2.21 – Modo de operação do terceiro quadrante com a corrente sobre a
carga diminuindo ...................................................................................................... 41
Figura 2.22 – Circuito esquemático do funcionamento interno do CI L298 ............. 42
Figura 2.23 – Diagrama esquemático de blocos do controlador PID aplicado ........ 47
Figura 2.24 – Diagrama esquemático da implementação do controlador PID ......... 49
Figura 2.25 – Esquemático de funcionamento de um encoder óptico ..................... 50
Figura 2.26 – Esquemático das arquiteturas de Von Neumann e Harvard .............. 54
Figura 2.27 – Esquemático de montagem do circuito para utilização de um cristal
como entrada de clock no PIC18FXX2 .................................................................... 57
Figura 3.1 – Plataforma do robô móvel vista de baixo ............................................. 59
Figura 3.2 – Roda tipo castor usada no protótipo .................................................... 60
Figura 3.3 – Roda de tração do protótipo ................................................................ 61
Figura 4.1 – Primeiro modelo de alimentação, composto por pilhas alcalinas AA ... 63
Figura 4.2 – Alimentação por seis pilhas recarregáveis e três capacitores de
estabilização de tensão ............................................................................................ 64
Figura 4.3 – Alimentação realizada por baterias recarregáveis de celular e regulação
de tensão de alimentação do PIC realizada pela ponte H ........................................ 65
Figura 4.4 – Módulo de ponte H com CI L298N e dissipador de calor .................... 67
Figura 4.5 – Encoder óptico acoplado ao disco com ranhuras ................................ 68
Figura 4.6 – Disco com ranhuras para sensor de velocidade .................................. 69
Figura 4.7 – Módulo sensor de distância ................................................................. 70
Figura 4.8 – Motores de tração do protótipo ............................................................ 71
Figura 4.9 – Esquemático do circuito de utilização do microcontrolador ................. 72
Figura 4.10 – Placa do microcontrolador ................................................................. 73
Figura 5.1 – Fluxograma de funcionamento do programa do robô .......................... 74
Figura 6.1 – Robô móvel autônomo ........................................................................ 81
LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Regra de Zigler-Nichols ...................................................................... 49
Tabela 2.2 – Valores dos capacitores para oscilação do cristal de clock ................ 57