25
Robô na Escola - UFPA 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano 1 2015 Tutorial Motores e Sensores P3R3 - Robô na Escola

P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

  • Upload
    vukhanh

  • View
    218

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

1

2015

Tutorial

Motores e

Sensores

P3R3 - Robô na Escola

Page 2: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

2

Coordenador

Marco José de Sousa

Colaboradora - Diretora Escola Estadual Luiz Nunes Direito

Maria de Belém Miranda de Souza

Bolsista - LAPS Laboratório de Processamento de Sinais

Adalbery Rodrigues Castro

Bolsista – GVA Grupo de Vibrações e Acústica

Gustavo da Silva Vieira de Melo

Bolsista – Graduando Engenharia da Computação

Alisson Ricardo da Silva Souza

Equipe de Desenvolvimento Alisson Ricardo da Silva Souza

Alexandre Van Der Vem

Edson de Jesus Rodrigues Gonçalves José Heitor Linhares Mariano

Yuri Chaves Freimann

Colaboradores Arthur William da Silva Ramos

Italo Tempes

Wederson Silva

Projeto Gráfico

Alisson Ricardo da Silva Souza Edson de Jesus Rodrigues Gonçalves

Realização:

Apoio:

Page 3: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

3

Sumário

1 Motores......................................................................................... 4

1.1 História........................................................................... 4

1.2 Tipos de Motores............................................................ 5

1.2.1 Servo Motor..................................................... 6

1.2.2 Motor de Passo................................................ 9

1.2.3 Motor corrente Continua................................. 11

2 Sensores........................................................................................ 15

2.1 Definições de Sensores................................................... 16

2.1.1 Sensores de Linha com LDR........................... 17

2.1.2 Sensor de Linha com Infravermelho............... 19

2.1.3 Sensores de Obstáculos com Ultrassom.......... 21

2.1.4 Sensor de Obstáculos com Infravermelho....... 24

3 Bibliografia................................................................................... 25

Page 4: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

4

1. Motores

1.1 - História

Figura 1 - Obra De Magnete.

641 a.C. O fenômeno da eletricidade estática já havia sido observado antes pelo

grego Tales, ele verificou que ao atritar uma peça de âmbar com pano, esta adquiria a

propriedade de atrair corpos (pelos, penas, cinzas, ...).

1600 O cientista inglês William Gilbert publicou, em Londres a obra intitulada

De Magnete, descrevendo a força de atração magnética.

1663 Foi construída a primeira máquina eletrostática, pelo alemão Otto

Guericke, e aperfeiçoada em 1775 pelo suíço Martin Planta.

1820 O físico dinamarquês Hans Christian Oersted, ao fazer experiências com

correntes elétricas, verificou que a agulha magnética de uma bússola era desviada de sua

posição norte-sul quando esta passava perto de um condutor no qual circulava corrente

elétrica, dando assim, o primeiro passo para em direção ao desenvolvimento do motor

elétrico.

Figura 2 - Experiencia de Faraday de 1821.

1820 Michael Faraday cria duas experiências para a demonstração de rotação

eletromagnética.

Page 5: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

5

1825 O sapateiro inglês William, em paralelo a usa profissão, inventa o

eletroímã.

Figura 3 - Rotary por Jedlik, 1827 a 1828.

1828 Jedlik inventa a primeira máquina rotativa.

1833 O inglês W. Ritchie inventou o comutador construindo um pequeno motor

elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente.

1838 Com grande sucesso obteve o motor elétrico desenvolvido pelo arquiteto e

professor de física Moritz Hermann von Jacobi, aplicou-o a um bote. Alimentados por

células de baterias, o bote transportou 14 passageiros e navegou em uma velocidade de

4,8 quilômetros por hora.

O motor DC foi criado a partir do desenvolvimento de geradores de energia

(dinamómetros). As bases foram lançadas por William Ritchie e Hippolyte Pixii, em

1832 com a invenção do comutador e, mais importante, por Werner Siemens em 1856

com o double-T, por seu engenheiro-chefe, Friedrich-Alteneck Hefner, em 1872, com o

armadura na forma de tambor. Motores DC ainda tem uma posição dominante no

mercado hoje no baixo consumo de energia (abaixo de 1 kW) e baixa tensão (abaixo de

60 V).

1.2 - Tipos de Motores

Figura 4 - Motor elétrico parte interna. Photopin.

Motores são dispositivos que convertem outros tipos de energia em energia

mecânica, de forma a dar movimento a máquinas. Os robôs usam motores como

propulsores, para a locomoção, como atuadores, para braços ou outros tipos de

manipuladores, ou em qualquer componente que realize algum movimento dentro de

um espaço de locomoção.

Page 6: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

6

Figura 5 - Motor DC presentes no circuitos do robô. Photopin.

A especificação dos motores caracteriza uma das tarefas mais importantes no

desenvolvimento de projetos de robótica, pois são eles que determinam o consumo de

corrente elétrica e, consequentemente, os sistemas de alimentação e armazenamento de

energia. O tamanho e a maneira de fixar o motor escolhido também influenciam no

projeto mecânico do chassi e das eventuais caixas de transmissão e redução

1.2.1 Servo Motor

Figura 6 - Projeto de robô que se utilizam Servo motor. Photopin.

Características

Os servos motores são usados em várias aplicações quando se deseja

movimentar algo de forma precisa e controlada. Sua característica mais importante é a

sua capacidade de movimentar a uma posição e mantê-lo, mesmo quando sofre uma

força contraria.

Page 7: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

7

Figura 7 – Servo Motor. Wikimedia

Figura 8 - Estrutura do Servo Motor.

Suas caraterísticas internas são:

• Circuito de Controle – responsável pelo monitoramento do potenciômetro

acionamento do motor visando obter uma posição pré-determinada.

• Potenciômetro – ligado ao eixo de saída do servo, monitora a posição do

mesmo.

• Motor – movimenta as engrenagens e o eixo principal do servo.

• Engrenagens – reduzem a rotação do motor, transferem mais torque ao eixo

principal de saída e movimentam o potenciômetro junto com o eixo.

• Caixa do Servo – caixa para acondicionar as diversas partes do servo.

Funcionamento

O servo motor gira conforme a polaridade da tensão aplicada, pois se trata de um

motor de corrente contínua comum. De modo a impedir que ele movimente muito

Page 8: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

8

rápido os demais elementos do servo, um sistema simples de engrenagens (ou mesmo

correias) pode ser usado. O motor movimenta tanto a alavanca que vai proporcionar o

acionamento externo, ou seja, que vai ser acoplada ao dispositivo final como também o

eixo de um potenciômetro. O potenciômetro funciona como sensor de posição para o

circuito de realimentação. O circuito de realimentação tem por base um comparador de

tensão comum. Um comparador de tensão nada mais é do que um amplificador

operacional com um ganho muito alto, de modo a haver uma comutação muito rápida de

sua saída em determinadas condições.

Figura 9 - Gráfico do funcionamento do Servo motor.

A ideia básica do servo é converte um sinal elétrico, por exemplo, uma tensão,

num movimento proporcional de uma alavanca ou ainda um cursor. Se um servo pode

ter uma alavanca que se movimente de 90 graus, por exemplo, quando a tensão de

entrada varia de 0 à 1 volts, as tensões intermediária aplicadas na entrada do circuito

podem levar a alavanca a qualquer posição intermediária cujo ângulo seja proporcional

a estas tensões. Esta proporcionalidade entre o movimento e a tensão de entrada também

leva estes dispositivos a serem classificados como de controles proporcionais. Em

outras palavras, existe uma proporção direta entre o ângulo de giro da alavanca do

Servo motor e a tensão aplicada à sua entrada.

Vantagens

Uma das principais vantagens do servo motor é a possibilidade de possível controlar

o torque no eixo, de forma constante e em larga faixa de rotação.

• Baixo Custo

• Suavidade em baixas rotações

• Sem consumo em paradas

Page 9: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

9

• Altos torques de pico

• Operação em altas velocidades

Desvantagens

Em relação com outros tipos de motores podemos destacar os seguintes fatos como

desvantagens no uso desses motores.

• Circuito mais complexo

• Baixo desempenho em baixa velocidade

• Comutações limitadas

Figura 10 - Robô construído usando Servo motor. Photopin.

1.2.2 Motor de passo

Figura 11 - Rodas que se utilizam de motores servos. Photopin.

Características

O motor de passo é um dispositivo empregado na conversão de pulsos elétricos

em movimentos rotativos e possuem três estágios: parado, ativado como rotor travado

ou girando em etapas. São utilizados cada vez mais em áreas como informática e

robótica, pois possuem uma alta precisão em seu movimento, além de serem rápidos,

confiáveis e fáceis de controlar.

Page 10: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

10

Figura 12 - Rodas que se utilizam de motores servos. Photopin.

Os mais usados são os motores Unipolares que possuem 2 ou 4 bobinas. Nestes,

cada fase consiste de um enrolamento com derivação central ou mesmo de dois

enrolamentos separados, de forma que o campo magnético possa ser invertido sema

necessidade de se inverter o sentido da corrente. Já os bipolares, exigem circuitos mais

complexos por possuírem muitas bobinas na mesma carcaça. Sua grande vantagem é

prover maior torque, além de ter uma menor proporção no tamanho. Fisicamente este

motor tem enrolamentos separados, sendo necessária uma polarização reversa durante a

operação para o passo acontecer.

Figura 13 - Estrutura interna de um motor de passo. Photopin.

Funcionamento

Figura 14 - Funcionamento do motor de passo. Wikimedia.

O funcionamento básico do motor de passo é dado pelo uso de solenoides

alinhados dois a dois que quando energizados atraem o rotor fazendo-o se alinhar com o

eixo determinado pelos solenoides, causando assim uma pequena variação de ângulo

que é chamada de passo. A velocidade e o sentido de movimento são determinados pela

forma como cada solenoide é ativado (sua ordem e a velocidade entre cada ativação).

Page 11: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

11

Vantagens

Os motores de passo possuem como vantagem em relação aos outros tipos de

motores:

• Precisão no torque

• Excelente resposta a aceleração e desaceleração

• Seguem uma lógica digital

• Alta precisão em seu posicionamento.

Desvantagens

Figura 15 - Movimentação do motor. Wikimedia.

Em relação com outros tipos de motores podemos destacar os seguintes fatos

como desvantagens no uso de motores de passo:

• Baixo desempenho em altas velocidades

• Requer certo grau de complexidade para ser operado

• Ocorrência de ressonância por controle inadequado.

1.2.3 Motor de Corrente Continua

Figura 16 - Projeto de robótica utilizando motor DC. Photopin.

Page 12: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

12

Características

Existem diversos tipos de motores DC, tais como os de imã permanente, sem

escovas ou ainda de relutância variável. Os mais comuns (e baratos), que podem ser

encontrados numa enorme faixa de tamanhos e tensões de trabalho, são os que fazem

uso de escovas. Nelas, um conjunto de bobinas gira tendo sua corrente comutada por

escovas que invertem o sentido da corrente a cada meia volta de modo a manter o

movimento.

Figura 17 - Parte de um motor de corrente continua. Photopin.

Estes motores possuem um rendimento razoável quando usados em projetos de

Robótica e Mecatrônica, sendo por este motivo os preferidos de muitos projetistas. Eles

podem ser encontrados numa ampla faixa de tensões nominais, tipicamente entre 1,5 e

48 volts.

Funcionamento

Os motores de corrente contínua (CC) ou motores DC (Direct Current), como

também são chamados, são dispositivos que operam aproveitando as forças de atração e

repulsão geradas por eletroímãs e imãs permanentes.

Figura 18 - Rotação do motor DC. Wikimedia.

Quando passar correntes elétricas por duas bobinas próximas, os campos

magnéticos criados poderão fazer com que surjam forças de atração ou repulsão.

Partindo então da posição inicial, em que os polos da bobina móvel (rotor), ao ser

percorrido por uma corrente e alinhados com o imã permanente temos a manifestação

de uma força de repulsão. Esta força de repulsão faz o conjunto móvel mudar de

Page 13: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

13

posição. A tendência do rotor é dar meia volta para seu polo Norte se aproxime do polo

Sul do imã permanente e seu polo Sul se aproximará do polo Norte pelo qual será

atraído.

Figura 19 - Rotação do Motor DC. Wikimedia.

No entanto, no eixo do rotor, por onde passa a corrente que circula pela bobina,

existe um comutador. A finalidade deste comutador é inverter o sentido da circulação da

corrente na bobina, fazendo com que os polos invertam-se. O resultado disso será uma

transformação da força de atração em repulsão, o que fará com que o rotor continue seu

movimento em outro sentido. Mais meia volta, e quando isso poderia ocorrer, a nova

posição faz com que o comutador entre em ação e temos nova comutação da corrente.

Com isso os polos se invertem.

Figura 20 - Rotação do Motor DC. Wikimedia.

O resultado disso é que o rotor não para, pois deve continuar em busca de sua

posição de equilíbrio. Evidentemente isso nunca vai acontecer, e enquanto houver

corrente circulando pela bobina o rotor não vai parar. A velocidade de rotação deste tipo

de motor não depende de nada a não ser da força que o rotor tenha de fazer para girar.

Desta forma, os pequenos motores de corrente contínua têm uma velocidade muito

maior quando giram livremente do que quando girar fazendo algum tipo de esforço

(movimento alguma coisa). Igualmente, a corrente exigida pelo motor depende da

oposição que o rotor encontra para sua movimentação. Fazendo mais força, o consumo

aumento.

Page 14: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

14

Normalmente, as velocidades de operação dos pequenos motores são elevadas e

para os casos em que necessitamos de mais força e de um movimento mais lento,

precisamos contar com recursos, como uma caixa de redução.

Figura 21 - Motor usando sistema de redução baseado em correia. Photopin.

A redução é facilmente calculada bastando para isso medir o diâmetro do eixo

do motor e o diâmetro da polia maior. A relação entre os dois valores indica a taxa de

redução, portanto o fator pelo qual ficará multiplicado o torque do motor.

A exemplo, considere um eixo de 5 mm e uma polia de 5 cm de diâmetro

teremos uma taxa de redução de 10 para 1. Isso significa que a força fica aumentada em

10 vezes e a velocidade fica reduzida em 10 vezes. Sistemas mais sofisticados incluem

o uso de engrenagens como, por exemplo, a caixa de redução ou sistema de correia.

Vantagens

A principal forma de propulsão de muitos dispositivos que tenham partes

mecânicas como robôs, braços mecânicos, videocassetes, automação, é o motor elétrico

corrente continua. Os motores de corrente contínua consistem numa forma simples e

barata de se obter propulsão mecânica para dispositivos eletromecânicos.

Figura 22 - Motor de correntes continua do tipo sem escova. Photopin.

Page 15: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

15

Desvantagens

Figura 23 - Robô que utiliza motores DC. Photopin.

No entanto, sua variedade de características e o seu princípio de funcionamento

exigem recursos especiais para que eles possam ser utilizados corretamente. Estes

motores possuem um rendimento razoável quando usados em projetos de Robótica e

Mecatrônica.

2. Sensores

A Internet das Coisas e Sensores

Figura 24 - Representação de um sistema de carro e casa conectado. Photopin.

A nova tendência da tecnologia é uso de sensores para obter informações de

forma mais ágil e eficiente de tudo aquilo que possa ser medidos e torna relevante para

pesquisas, indústria, saúde, meio ambiente e residências, ou seja, na vida das pessoas.

Os sensores já eram utilizando há muito tempo, porém, pelo avanço da internet

processos antes caros se tornaram mais acessíveis, desde comunicação, computação e

processamento de dados.

Page 16: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

16

Figura 25 - Monitoramento do meio que se encontra a planta. Photopin.

As grandes quantidades de informações obtidas por meio de sensores em

conjunto com internet e bancos de dados poderão resultar em soluções para diversos

problemas cada vez mais comuns na vida das pessoas – desde a área de saúde até os

meios de transporte. Assim, por meio de sensores que vão desde sistemas de câmeras

até sensores de toques, os objetos são capazes de monitorar, coordenar ou controlar

através de uma rede de dados ou da Internet. Assim define-se A Internet das Coisas

ou Internet of Things (IOT).

2.1 - Definições de Sensores

Em geral, Sensores são dispositivos capazes de detectar ações ou estímulos

externos e responder em consequência. Estes aparelhos podem transformar as grandezas

físicas ou químicas em grandezas elétricas.

Figura 26 - Robô com sensores de Infravermelho e ultrassom. Photopin.

Na eletrônica, um sensor é conhecido como qualquer componente ou circuito

eletrônico que permita a análise de uma determinada condição do ambiente, podendo

ela ser algo simples como temperatura ou luminosidade; uma medida um pouco mais

complexa como a rotação de um motor ou a distância de um carro até algum obstáculo

próximo.

Page 17: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

17

Nos projetos de robótica adotasse em geral três tipos de sensores; ultrassom,

infravermelho e LDR. Podem-se divididos em duas categorias sensores de linha e

obstáculos.

2.1.1 Sensores de Linha com LDR

Figura 27 - LDR. Wikimedia.

O sensor de linha é utilizado comumente em robôs seguidores de linha ou

qualquer aplicação que necessite identificar maior ou menor reflexão de luz.

Características

Os sensores resistivos são aqueles que em circuitos comportam-se como

resistores, mas, devido a certas propriedades físicas ou químicas, variam o valor de sua

resistência de acordo com certas características, como luminosidade ou temperatura.

Esses são os modelos mais comuns, dentre os quais podemos destacar o LDR.

Quando um LDR, um dispositivo cuja resistência varia de acordo com a

luminosidade, é submetido a uma luz cada vez mais intensa, pode-se verificar que sua

resistência diminuirá gradativamente. Utilizando um circuito divisor de tensão,

podemos fazer com que através dessa variação da resistência, haja uma variação na

tensão. E assim, utilizados em projeto com dispositivos com Arduino.

Figura 28 - Funcionamento de LDR. Wikimedia.

Funcionamento

O sensor de linha com LDR e composto por um LED emissor e LDR receptor

com esse conjunto de dispositivo é possível detectar a linha preta. O emissor emite a luz

infravermelha e quando essa luz for refletida, o receptor LDR irá receber a luz, através

de um dispositivo especifico como Arduino é possível detectar essa recepção. Quando

Page 18: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

18

for refletida e recebida pelo receptor, será indicado que abaixo do nosso receptor tem

uma superfície que reflete a luz.

Figura 29 - Funcionamento de sensor de linha com LDR.

Quando o sensor estiver acima da faixa preta, haverá pouca reflexão de luz,

então com isso podemos afirmar que está sobre a faixa preta. Ao se detectado que o

sensor saiu da faixa preta pode-se acionar motores que conduziram para a faixa da linha

novamente, por essa razão chamamos de seguidor de linha ou sensor de linha.

Figura 30 - Funcionamento do sensor de linha com LDR.

Vantagens

Figura 31 - Projeto de robô usando sensor de LDR. Photopin.

Page 19: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

19

Projetos de sensores de linhas construídos com esse sensores são mais baratos

que os utilizados com infravermelho.

Desvantagens

• Necessita de uma superfície com poucas variações de coloração e tonalidade.

• Interferência de luz externa.

• Pouco sensível comparado com infravermelho.

2.1.2 Sensor de Linha com Infravermelho

Características

Figura 32 - Sensor de linha com LDR. Photopin.

Um sensor de infravermelho pode ser passivo ou de recepção ou ativo ou de

emissão ativo é composto por um emissor de luz infravermelha e um receptor, que reage

a essa luz. Por sua vez, um sensor de infravermelho passivo não emite luz

infravermelha, mas apenas capta esse tipo de luz no ambiente.

Figura 33 - Robo que utiliza sensor de linha com IR. Photopin.

Page 20: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

20

Funcionamento

Figura 34 - Robô se movimentando na faixa preta. Photopin.

Com um emissor e um receptor infravermelho é simples detectar a linha preta. O

emissor emite a luz infravermelha e quando essa luz for refletida, o receptor irá receber

a luz e através do Arduino é possível detectar essa recepção. Quando for refletida e

recebida pelo receptor, será indicado que abaixo do nosso receptor tem uma superfície

que reflete a luz.

Quando o sensor estiver acima da fita isolante, por ela ser preta, não refletirá luz,

então com isso podemos afirmar que está sendo detectando a linha preta. Ao detectar se

o carrinho está saindo da linha, acionamos os motores de forma a nunca permitir que

saia da linha.

Com essa montagem de emissor + receptor, estamos trabalhando com uma

lógica binária, reflete luz ou não reflete, ou seja, ou o sensor está acima de superfície

clara ou o sensor está acima da linha preta.

Page 21: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

21

Vantagens

Figura 35 - Sensor de linha com LDR. Photopin.

Umas das grandes vantagens do uso do infravermelho estão a sua imunidade a

interferências sonoras e possibilidade de ser transmitido e recebido com componentes

comuns de baixo custo e fácil utilização.

Desvantagens

O problema com essa tecnologia é que pode ser facilmente interferida por outras

fontes de luz ao redor, diminuindo sua precisão sendo bloqueado por obstáculos e

refletindo-se em alguns materiais. Para que esse sistema funcione é preciso observar

diversos fatores que podem influir no seu desempenho. À medida que se necessita de

um alcance maior, a velocidade de transmissão de dados começa a ser comprometida.

2.1.3 Sensores de Obstáculos com Ultrassom

Figura 36 - Robô que se utiliza de sensor de obstáculo de ultrassom. Photopin.

Page 22: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

22

Características

Os sensores de ultrassom ou ultrassônicos são sensores que detectam a presença

de obstáculos e que podem calcular a distância em que se encontram estes obstáculos. O

seu princípio de funcionamento baseia-se na emissão de ondas sonoras de alta

frequência e na medição do tempo que o eco produzido, quando esta onda se choca com

um objeto capaz de refletir o som, leva para voltar até o receptor. Possuem este nome

por trabalharem com frequências acima das frequências audíveis.

Figura 37 - Ultrassom. Photopin.

Funcionamento

Figura 38 - Circuito do ultrassom dispositivo para Arduino. Photopin.

O princípio de operação desses sensores é exatamente o mesmo do sonar, usado

pelo morcego para detectar objetos e presas em seu voo cego. O pequeno comprimento

de onda das vibrações ultrassônicas faz com que elas se reflitam em pequenos objetos,

podendo ser captadas por um sensor colocado em posição apropriada. O comprimento

de onda usado e, portanto, as frequências são muito importantes nesse tipo de sensor,

pois ele determina as dimensões mínimas do objeto que pode ser detectado. Levando-se

em conta a velocidade do som, pode-se determinar com precisão a velocidade de

aproximação ou afastamento do objeto pela medida da alteração de sua frequência.

Vantagens

Esses sensores se caracterizam por operar por um tipo de radiação não sujeita a

interferência eletromagnética e totalmente limpa, o que pode ser muito importante para

Page 23: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

23

determinados tipos de aplicações. Podendo operar de modo eficiente detectando objetos

em distâncias que variam entre milímetros até vários metros, eles podem ser

empregados para detectar os mais variados tipos de objetos e substâncias.

Desvantagens

Como qualquer tipo de sensor, o posicionamento correto e a observação de

eventuais fontes capazes de interferir no funcionamento são fundamentais para se obter

um bom desempenho de um sistema.

Figura 39 - Reflexão em objeto superfície regular.

Reflexões → Dependendo da natureza do material a ser detectado, o ultrassom

pode tanto penetrar como passar por reflexões múltiplas, podem alterar as indicações

por um efeito de interferência destrutiva.

Figura 40 - Reflexão em superficie irregular.

Limite → É preciso definir a faixa de distância de detecção do sensor para que

problemas de sinal não ocorram.

Direção → Em uma aplicação em que se utilizem elementos que irradiam sinais

de qualquer tipo deve-se considerar a direção do sensor e do emissor.

Reverberação → Quando um pulso ultrassônico é aplicado a um objeto, ele

consiste numa forma de energia que será em parte absorvida e em parte refletida por

esse objeto. O que ocorre é que a energia absorvida pode levar o objeto a vibrar na

mesma frequência por alguns instantes. O resultado é que o pulso refletido pode ter uma

duração maior do que a do pulso transmitido por esse efeito de “prolongamento” ou

reverberação.

Page 24: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

24

2.1.4 Sensor de Obstáculos com Infravermelho

Figura 41 - Projeto de robô usando sensor de obstáculo infravermelho. Photopin.

Características

Existem sensores de infravermelho ativos e passivos. Um sensor

de infravermelho ativo é composto por um emissor de luz infravermelha e um receptor,

que reage a essa luz. Por sua vez, um sensor de infravermelho passivo não emite luz

infravermelha, mas apenas capta esse tipo de luz no ambiente.

Figura 42 - Sensor de obstáculo com infravermelho. Photopin.

Funcionamento

Neste tipo de aplicação, um feixe é projetado por LED emissor de luz

infravermelha que, ao ser refletido por algum obstáculo, é detectado por um foto-

transistor. Quanto mais próximo o obstáculo estiver do conjunto emissor-receptor,

maior será a intensidade do sinal recebido.

Vantagens

Umas das grandes vantagens do uso do infravermelho estão na sua imunidade à

interferências e possibilidade de ser transmitido e recebido com componentes comuns

de baixo custo e fácil utilização.

Page 25: P3R3 - Robô na Escolap3r3.com/wp-content/uploads/2015/06/Oficina-Motores-e...elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. 1838 Com grande sucesso

Robô na Escola - UFPA – 2015 Autor: José Heitor Linhares Mariano

25

Desvantagens

Figura 43 - Sensores de obstáculos com infravermelho. Photopin.

O problema com essa tecnologia é que pode ser facilmente interferida por outras

fontes de luz ao redor, diminuindo sua precisão sendo bloqueado por obstáculos e

refletindo-se em alguns materiais. Para que esse sistema funcione é preciso observar

diversos fatores que podem influir no seu desempenho. À medida que se necessita de

um alcance maior, a velocidade de transmissão de dados começa a ser comprometida.

3. Bibliografia

[1] História do motor elétrico – http://www.eti.kit.edu/english/1376.php

[2] http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1753-sensores-ultra-snicos

[3] http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-carrinho-seguidor-de-linha-que-

desvia-de-obstaculos-com-

[4] http://eletricamentefalando.blogspot.com.br/2011/09/sensor-infravermelho.html

[5] http://www2.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/4---

sensores-v2.0.pdf

[6] http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/110-mecatronica/robotica?Itemid=140

[7] Internet das Coisas - sensores.

http://convergenciadigital.uol.com.br/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?infoid=38222

[8] Imagens obtidas da Wikimedia e Photopin com licenças da creative commons.