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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR
CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
CÂMBIO DE BICICLETAS AUTOMATIZADO BASEADO NA
CADÊNCIA DE PEDALADAS
por
Gustavo Rossi Müller
Itajaí (SC), Julho de 2014
UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR
CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
CÂMBIO DE BICICLETAS AUTOMATIZADO BASEADO NA
CADÊNCIA DE PEDALADAS
Área de circuitos digitais e programação
por
Gustavo Rossi Müller
Relatório apresentado à Banca Examinadora
do Trabalho Técnico-científico de Conclusão
do Curso de Ciência da Computação para
análise e aprovação.
Orientador: Adhemar Maria do Valle Filho,
Dr.
Itajaí (SC), Julho de 2014
AGRADECIMENTOS
Grato aos meus pais, Miguel Francisco Müller e Marili Teresinha Rossi Müller, que
sempre me apoiam em todos os projetos e ajudaram com o texto, ideias e apresentando
pessoas que puderam me auxiliar. Aos meus irmãos que também prestaram seu apoio, aos
amigos que colaboraram trocando ideias, em especial ao Rodrigo que muito contribuiu com a
parte mecânica, ao Andre Luiz Maciel Santana que ajudou com sugestões e soluções para
problemas no decorrer do projeto. Agradeço ao Adhemar Valle Filho por me orientar nesse
trabalho, sua ajuda foi essencial para a conclusão, e a todos os demais que se propuseram a
ajudar com materiais, ferramentas e conhecimento.
Ainda vejo o mundo com os olhos de criança
Que só quer brincar e não tanta responsa
Mas a vida cobra sério e realmente não dá pra fugir
Marcão e Chorão
RESUMO
MÜLLER, Gustavo Rossi. Câmbio de bicicletas automatizado baseado na cadência de
pedaladas. Itajaí, 2014. 77. Trabalho Técnico-científico de Conclusão de Curso (Graduação
em Ciência da Computação) – Centro de Ciências Tecnológicas da Terra e do Mar,
Universidade do Vale do Itajaí, Itajaí, 2014.
Para trazer maior conforto e vantagem aos motoristas, sistemas de câmbio automatizados
permitem trocar as marchas no momento adequado. No entanto, este não é um recurso muito
popular em bicicletas. Embora seja fácil encontrar bicicletas com sistemas de câmbio comum
com marchas, ele precisa ser controlado manualmente, normalmente com alavancas no
guidão. Sabendo que pedalar usando força de forma excessiva ou mantendo cadência superior
a adequada exige maior preparo físico do ciclista, e motivado pela inovação de um sistema
que une mecânica, eletrônica e computação, este trabalho tem por objetivo desenvolver um
sistema embarcado que seja capaz de realizar a troca automática das marchas em uma
bicicleta. Um sistema de câmbio automatizado foi construído utilizando um microcontrolador,
motores e um sensor magnético. Entre vários critérios de trocas de marchas selecionáveis, a
melhor alternativa foi basear-se em um trabalho acadêmico, onde foi identificado como
cadência mais econômica a de 60 pedaladas por minuto. Buscando um desgaste físico menor e
permitindo ao atleta pedalar por mais tempo. Contando o tempo entre pedaladas, o sistema
move os descarrilhadores trocando as marchas para manter a cadência próxima ao ideal, sem
que o ciclista aperte botão algum para efetuar a troca. Equipando a bicicleta, o ciclista possui
um dispositivo que controla automaticamente as marchas, mantendo uma velocidade de
pedaladas adequada tanto em terrenos planos como em terrenos íngremes.
Palavras-chave: Microcontrolador. Automação. Bicicleta. Câmbio, Cadência.
ABSTRACT
Cars with automated exchange systems bring advantages such as comfort and the gear
changing at the right time. However, this is not a very popular resource on bicycles. While it
is easy to find bikes with exchange systems common with speeds, it needs to be controlled
manually, usually with levers on the handlebars. Pedaling too strong or fast requires more
energy from cyclist. Motivated by innovation an automated exchange system on the bike,
basically using a microcontroller supplied by a battery, two motors and a magnetic sensor,
the project has the objective of developing an embedded system which is able to perform
automatic switching of gears on a bike that already has a system of multi-speed, thus avoiding
unnecessary physical wear and allowing the rider to pedal longer. The exchange will be
based on a study that showed how the most economical cadence pedaling sixty per minute.
Using a magnetic sensor to count the time between pedaling, the system move the motor,
which in turn move the derailleur shifting gears to keep the cadence around of sixty without
the cyclist to press a button to make the change. At the end of the project, was possible to ride
a bike without the need to manually control the gears according to a cadence meter to sustain
a speed of pedaling adequate, and independent of the cyclist to be going up a hill or down a
slope.
Keywords: Microcontroller. Automation. Bike. Gear. Cadence.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Partes da Bicicleta ...................................................................................................... 19
Figura 2 Física na Bicicleta ...................................................................................................... 20 Figura 3 Arduino UNO ............................................................................................................. 22 Figura 4 Reed Switch ............................................................................................................... 25 Figura 5 Campo em Paralelo .................................................................................................... 26 Figura 6 Motor de Passo Aberto ............................................................................................... 29
Figura 7 Modelo de Motor de Passo Bipolar ............................................................................ 29
Figura 8 Potenciômetro ............................................................................................................ 30
Figura 9 Divisor de Tensão ...................................................................................................... 31 Figura 10 Motor CC ................................................................................................................. 32 Figura 11 Representação da Ponte H ........................................................................................ 33 Figura 12 Ponte H Dupla .......................................................................................................... 34 Figura 13 ULN2803 ................................................................................................................. 35
Figura 14 Connected Bike ........................................................................................................ 36 Figura 15 Modelo Toroidal NuVinci ........................................................................................ 37 Figura 16 Copenhagen Wheel .................................................................................................. 38 Figura 17 Fluxograma do software ........................................................................................... 40
Figura 18 Posicionamento do Imã ............................................................................................ 42
Figura 19 Alavancas ................................................................................................................. 46 Figura 20 Cabos ........................................................................................................................ 48 Figura 21 Redução .................................................................................................................... 49
Figura 22 Bateria ...................................................................................................................... 50 Figura 23 Tela ........................................................................................................................... 52
Figura 24 Montagem Elétrica ................................................................................................... 53 Figura 25 Baterias ..................................................................................................................... 54 Figura 26 Esquema Eletrônico ................................................................................................. 55
Figura 27 Aparência externa do atuador .................................................................................. 56 Figura 28 Localização do Potenciômetro ................................................................................. 57 Figura 29 Cabo ......................................................................................................................... 58
Figura 30 Gráfico de Velocidade e Marchas ............................................................................ 67
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Passo Completo Simples............................................................................................ 28
Tabela 2 Passo Completo com Dobro de Torque e Consumo .................................................. 28 Tabela 3 Meio Passo com Dobro de Precisão .......................................................................... 28 Tabela 4 Comparativo .............................................................................................................. 39 Tabela 5 Relações de Transmissão ........................................................................................... 45 Tabela 6 Velocidade nos Testes ............................................................................................... 67
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 ................................................................................................................................. 20
Equação 2 ................................................................................................................................. 31 Equação 3 ................................................................................................................................. 43 Equação 4 ................................................................................................................................. 44 Equação 5 ................................................................................................................................. 46
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CC Corrente Contínua
CI Circuito Integrado
DC Direct Current (Corrente Contínua)
EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory
GPS Global Position System
ICIII International Conference on Industrial and Intelligent Information
MIT Massachusetts Institute of Technology
SRAM Static Random Access Memory
TTC Trabalho Técnico-Científico de Conclusão de Curso
TTL Transistor-Transistor Logic
UNIVALI Universidade do Vale do Itajaí
LISTA DE SÍMBOLOS
ω Letra grega Omega em minúsculo, usada para indicar velocidade
angular.
V Letra V maiúscula, usada para indicar a unidade de medida de tensão
elétrica, volt no sistema internacional.
MHz Mega Hertz. Unidade de medida de frequência equivalente a um
milhão de Hertz, ou seja, um milhão de vezes por segundo.
A Ampère. Unidade de medida de intensidade de corrente elétrica,
padrão do sistema internacional de unidades.
mA Miliampère é uma unidade de medida de intensidade da corrente
elétrica equivalente a milésima parte de um ampère.
mAh MiliAmpère Hora, usado para definir a capacidade de carga da bateria.
KB Unidade de medida de capacidade de armazenamento digital
equivalente a 1024 bytes.
µs Sub-multiplo da unidade de medida segundo, equivalente a
µF Sub-multiplo da unidade de medida Farad, usada para medir
capacitância, equivalente a
Ω Letra grega Omega em maiúsculo, usada para indicar a unidade de
medida de resistência elétrica, ohm no sistema internacional.
Km/H Unidade utilizada para medir velocidade, representa a distância em
quilômetros percorridos no intervalo de tempo de uma hora.
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ............................................................................................................ III
RESUMO .................................................................................................................................. V
ABSTRACT .............................................................................................................................. VI
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ VII
LISTA DE TABELAS .......................................................................................................... VIII
LISTA DE EQUAÇÕES .......................................................................................................... IX
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ............................................................................... X
LISTA DE SÍMBOLOS ........................................................................................................... XI
SUMÁRIO .............................................................................................................................. XII
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 15 1.1 PROBLEMATIZAÇÃO ..................................................................................................... 16
1.1.1 Solução Proposta .......................................................................................................... 16 1.2 OBJETIVOS ..................................................................................................................... 17
1.2.1 Objetivo Geral .............................................................................................................. 17
1.2.2 Objetivos Específicos .................................................................................................... 17 1.3 METODOLOGIA ............................................................................................................. 17
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ........................................................................................ 18 Fundamentação Teórica ........................................................................................................... 18
Projeto ...................................................................................................................................... 18 Desenvolvimento ....................................................................................................................... 18 Conclusão ................................................................................................................................. 18
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ..................................................................................... 19 2.1 BICICLETA ...................................................................................................................... 19 2.1.1 Funcionamento do Câmbio ........................................................................................... 19 2.1.2 Cadência ....................................................................................................................... 21 2.2 ARDUINO ........................................................................................................................ 21
Alimentação .............................................................................................................................. 22
Entrada e Saída ........................................................................................................................ 23 Shields ....................................................................................................................................... 23 Programas ................................................................................................................................ 23 2.3 REED SWITCH ................................................................................................................ 25 2.4 MOTOR DE PASSO ......................................................................................................... 26
2.4.1 Estrutura ....................................................................................................................... 27 2.4.2 Forma de Operação ...................................................................................................... 27
2.5 POTENCIÔMETRO ......................................................................................................... 30 2.6 MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA ........................................................................... 31 FUNCIONAMENTO ................................................................................................................. 32 PRÓS E CONTRAS ................................................................................................................... 32 2.7 PONTE H ......................................................................................................................... 33
2.8 ULN2803 .......................................................................................................................... 34 2.9 TRABALHOS RELACIONADOS ..................................................................................... 35 T.Y. Lin et al ............................................................................................................................. 35
Connected Bike ......................................................................................................................... 36 NuVinci ..................................................................................................................................... 37 Copenhagen Wheel ................................................................................................................... 38
3 PROJETO .......................................................................................................................... 40 3.1 LEITURA DA CADÊNCIA ............................................................................................... 41 3.2 PROCESSAMENTO DA MARCHA ................................................................................. 43 3.3 ATUADOR ....................................................................................................................... 47
3.4 ALIMENTAÇÃO .............................................................................................................. 49 4.1 MONTAGEM DO HARDWARE ...................................................................................... 50
4.1.1 Materiais ....................................................................................................................... 50
4.1.2 Elétrica .......................................................................................................................... 51
4.1.3 Mecânica ....................................................................................................................... 56 4.2 SOFTWARE ..................................................................................................................... 58
4.2.1 Principal ....................................................................................................................... 58 4.2.2 L298Motor .................................................................................................................... 60 4.2.3 Trocador ....................................................................................................................... 61
4.3 CONTRATEMPOS ........................................................................................................... 61 4.4 TESTES ............................................................................................................................ 64
5 CONCLUSÃO .................................................................................................................... 66 5.1 TRABALHOS FUTUROS ................................................................................................. 68
REFERÊNCIAS ...................................................................................................................... 70
GLOSSÁRIO ............................................................................................................................ 72
15
1 INTRODUÇÃO
Ideias relacionadas ao câmbio automatizado para bicicleta vêm sendo estudadas desde
a década de 90. A empresa Autobike tem registro de patente nos Estados Unidos de uma
bicicleta com transmissão automática datada de 1º de junho de 1993, sendo que o produto era
comercializado desde o ano de 1990 (US TRADEMARK, 2013).
O projeto desenvolvido faz parte do processo de evolução do sistema de câmbio para
bicicletas. Adaptando o conceito de câmbio automático de carros em bicicletas. Utilizando a
plataforma de prototipagem Arduino, foi implementado um sistema que facilita a roca de
marchas. Esse sistema pode ser instalado em qualquer bicicleta que já possua um câmbio
comum, desde que devidamente configurado.
O projeto utilizou basicamente um conjunto de chaves, sensores, um circuito
controlador e mecanismos para controlar o cabo do câmbio. Pelo fato do Arduino poder ser
utilizado para desenvolver objetos autônomos ou interativos como sistemas de controle que
necessitam de acesso aos objetos do mundo físico, tomando as entradas a partir de uma
variedade de sensores e chaves, controlando atuadores como servo-motores, relés ou outros
tipos de saída, ele é um recurso útil ao desenvolver projetos como esse. As montagens feitas
usando Arduino podem ser autônomos, baseados na rotina escrita para o microcontrolador ou
podem se comunicar com um software em execução no computador. (BENTES, 2011)
Foi utilizada a linguagem de programação Wiring, padrão na plataforma Arduino, pela
grande quantidade de bibliotecas pertinentes ao projeto e pela sintaxe semelhante a da
linguagem de programação C++. De forma sintética, o sistema embarcado no Arduino faz a
leitura dos dados fornecidos por sensores que estão dispostos em pontos estratégicos na
bicicleta, tal como próximo às coroas frontais. Processando dados, como o tempo utilizado
pelo ciclista para dar uma pedalada e a posição do pedal em determinado momento, o
programa toma a decisão de quando trocar a marcha e qual delas utilizar. Após esta decisão, o
programa utiliza os recursos disponíveis para controlar uma estrutura mecânica, que por sua
vez, controla o câmbio.
A base para implementar o controle foi o trabalho apresentado em 2012, na
International Conference on Industrial and Intelligent Information – ICIII. O estudo
apresentou uma estratégia de trocas de marcha, baseada na capacidade de esforço físico do
16
corpo humano. Neste projeto de TTC a fundamentação do momento certo para troca de
marchas baseia-se neste estudo já desenvolvido (ICIII, 2012). Visto que a cadência reduz
quando o ciclista não tem força para mantê-la, em uma subida, e aumenta com a força
excedente.
1.1 PROBLEMATIZAÇÃO
A bicicleta pode ser um veículo de locomoção excelente para ir trabalhar, ir à escola,
universidade, passear e inúmeras outras atividades que exijam a deslocamento dentro da
cidade. Porém, alguns motivos impedem que ela seja utilizada regularmente. Um deles é o
cansaço físico do ciclista.
Para reduzir o cansaço, aumentar o desempenho e permitir o uso da bicicleta em
terrenos íngremes, um sistema de redução conhecido como câmbio foi incluído no projeto da
bicicleta. Embora bicicletas atuais tenham uma grande variedade de velocidades
disponibilizadas pelo sistema de câmbio, apenas com o uso correto do câmbio o consumo de
energia mecânica produzida pelo ciclista é minimizado, reduzindo assim sua exaustão.
Empresas do ramo desenvolveram mecanismos para informar ao ciclista dados sobre o
seu desempenho. Entre estes mecanismos, encontram-se os medidores de cadência que
informam ao ciclista quantas pedaladas por minuto ele está fazendo, permitindo o controle
manual de seu ritmo.
O público a quem se dirige a solução desta problemática são pessoas que normalmente
não tem conhecimento de qual é a marcha mais adequada para o momento, aplicando energia
de forma ineficiente. Manter um ritmo constante é crucial para evitar cansaço e danos à saúde.
1.1.1 Solução Proposta
A troca automatizada das marchas proporciona uma comodidade ao ciclista,
garantindo uma cadência mais estável, reduzindo o desgaste físico desnecessário decorrente
de uma marcha inadequada, transformando assim a bicicleta num veículo mais eficiente.
Este projeto baseou-se no estudo realizado por Chris R. Abbiss, Jeremiah J. Peiffer e
Paul B. Laursen que constatou que uma cadência baixa, entre 60 e 70 pedaladas por segundo é
a mais econômica. Criando um equipamento que opere o câmbio a fim de manter a cadência
estável nesta faixa, o desgaste do ciclista seria menor, tanto físico quanto mental (ABBISS,
17
2009). Esta é a proposta deste projeto, reduzir o desgaste do ciclista automatizando o câmbio.
Não faz parte do escopo do trabalho criar todo o câmbio, apenas automatizá-lo utilizando
preferencialmente materiais de baixo custo.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Desenvolver um sistema embarcado capaz de realizar trocas automáticas de marcha
em uma bicicleta para manter a cadência estável.
1.2.2 Objetivos Específicos
Analisar soluções similares à proposta no trabalho;
Definir quais sensores e atuadores devem ser utilizados;
Definir o funcionamento do objeto final;
Implementar o sistema;
Testar o sistema e relatar;
Documentar as pesquisas, estudos e o desenvolvimento do projeto.
1.3 METODOLOGIA
Inicialmente a ideia foi automatizar a troca de marchas de uma bicicleta, no entanto,
era preciso definir a forma como fazer a automação. Após a análise de várias possibilidades,
tais como calcular o torque da bicicleta, calcular a pressão feita pelo ciclista no pedal, manter
a velocidade da bicicleta entre outras, a opção foi basear-se em um trabalho acadêmico onde a
troca de marchas para manter a cadência seria a mais adequada ao projeto.
Com um tema definido, a busca por projetos similares iniciou, bem como, o estudo da
linguagem de programação Wiring. Com base nos projetos similares, começaram os estudos
dos materiais necessários, aprofundando-se e coletando referências dos materiais a serem
utilizados com maior valia para o projeto.
Em paralelo, iniciou-se a elaboração do documento, e análise do funcionamento do
sistema. A elaboração do documento e a coleta de dados, bem como a análise, foram feitas
18
juntas para evitar a perda de referências e manter a ideia nítida durante a elaboração do
documento.
As pesquisas foram realizadas utilizando livros disponíveis na biblioteca da
universidade, artigos científicos publicados em diversos locais, e web sites de busca como
Google Scholar que indicam livros e artigos.
Precedido de um estudo das possíveis formas de como efetivamente o sistema pode
trocar a marcha, a modelagem de um atuador foi feita, e documentados os materiais que foram
utilizados.
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho foi dividido em Fundamentação Teórica, Projeto, Desenvolvimento e
Conclusão.
Fundamentação Teórica
Na fundamentação teórica, conteúdos relacionados com o que é utilizado no decorrer
do projeto são pesquisados e estudados. Como todo o trabalho possui alguns elementos
primordiais, esses elementos naturalmente se tornaram os tópicos, além de um tópico extra
com outros projetos relacionados a este.
Projeto
Essa parte do trabalho está subdividida de acordo com as etapas do projeto.
Inicialmente uma visão superficial possibilita o leitor poder entender a importância e
relacionar os tópicos seguintes com o resultado final. Imagens ajudam na compreensão, nesta
etapa, elas dão ao leitor a possibilidade de imaginar o sistema funcionando. Também coube
aqui o planejamento do TTC II.
Desenvolvimento
Abarca o detalhamento das etapas realizadas durante a implementação do projeto,
tanto no que diz respeito a programação como montagem física das peças.
Conclusão
A última parte do projeto de TTC II reserva-se a sumarização das informações obtidas
com a experiência do TTC I e TTC II bem como apresentação dos resultados.
19
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Nas pesquisas realizadas durante a elaboração do TTC I, vários itens foram estudados,
os mais relevantes para o sucesso do projeto são detalhados nos tópicos da fundamentação
teórica.
2.1 BICICLETA
O objeto em que foi baseada esta pesquisa é a bicicleta, especialmente o sistema de
trocas de marchas. Por este motivo, será abordado inicialmente o funcionamento do câmbio
em uma bicicleta padrão existente no mercado. A Figura 1 mostra uma bicicleta com a
nomenclatura utilizada neste projeto.
Figura 1 Partes da Bicicleta
2.1.1 Funcionamento do Câmbio
Luciano Camargo Martins (2012) explica o funcionamento do câmbio de uma
bicicleta da seguinte forma: A bicicleta possui uma corrente, marcada em verde na Figura 2,
que liga uma coroa dentada dianteira, movimentada pelos pedais, à coroa dentada traseira,
marcadas em vermelho.
O pinhão e a roda traseira têm a mesma velocidade angular (ω). A rotação da roda
traseira depende do tamanho relativo das coroas dentadas. Logo é possível calcular a
20
velocidade angular utilizando a Equação 1, onde r indica o raio e os subescritos t e d
referenciam traseiro e dianteiro respectivamente (ibidem).
Equação 1
Uma bicicleta com marchas possui um conjunto de coroas, cujo funcionamento
consiste em fazer combinações entre as coroas dianteiras e traseiras. A quantidade de marchas
é obtida multiplicando a quantidade de coroas dianteiras pela quantidade de coroas traseiras
(ibidem).
A troca de coroas é feita utilizando descarrilhadores, que são mecanismos
normalmente controlados por cabos que se estendem até o guidão, onde fica o trocador.
Quando os trocadores puxam ou soltam os cabos, os descarrilhadores forçam a corrente a
trocar de coroa.
Figura 2 Física na Bicicleta
Adaptação: UDESC (Universidade do Estado de Santa Catarina), 2012
21
2.1.2 Cadência
A cadência em ciclismo é definida pela rotação da coroa dianteira, comumente é
expressa em pedaladas por minuto, considerando que uma pedalada completa compreende
360º. Nesse projeto de TTC ela será utilizada como referência para troca de marchas.
Controle de Cadência
Como Chris et al (2009) explicam em seu artigo, manter o controle da cadência é
essencial para que o ciclista tenha sucesso em meio a uma competição. A Cadência está
diretamente ligada à potência gerada pelo ciclista. Os batimentos cardíacos, a pressão arterial,
o consumo de oxigênio, podem ser ajustados controlando a cadência e a força aplicada ao
pedal (LIN et al, 2009).
É possível fazer uso do câmbio da bicicleta para manter a cadência estável. A cadência
mais econômica, que consome menos energia do ciclista, está em torno de 60 pedaladas por
minuto (HALLÉN, 2004). No entanto, ciclistas profissionais têm uma cadência entre 90 e 110
rotações por minuto (LUCÍA, 2009).
Medidor de Cadência
Medidores de cadência normalmente são encontrados em ciclo-computadores,
computador de bordo para bicicletas. Quando encontrado individualmente o equipamento com
menor custo está no valor de R$ 150,00, equipamentos mais precisos têm valores que
ultrapassam os R$ 1.000,00. Esses valores foram pesquisados em sites de revendedores e no
mercado livre, os preços são referentes a produtos novos.
Não existe um equipamento padrão para medir a cadência, cada empresa desenvolve o
seu próprio método de leitura, seja por acelerômetro, sensor de magnetismo, dínamo,
mecânico ou qualquer método que considere competitivo no mercado.
2.2 ARDUINO
O Arduino é um projeto aberto que engloba hardware e software. Muito usado em
programas educacionais ao redor do mundo. O Arduino permite que um programa, chamado
sketch, interaja com o hardware (MARGOLIS, 2012). Na Figura 3, pode-se ver o hardware do
Arduino em seu modelo UNO, baseado no microcontrolador ATmega328 com clock obtido
de um ressonador cerâmico de 16MHz (ARDUINO, 2013).
22
Figura 3 Arduino UNO
Fonte: ARDUINO, 2013
Alimentação
O modelo UNO opera com tensão de 5V, podendo ser alimentado pela porta USB
(Universal Serial Bus – Barramento Serial Universal) ou pela conexão marcada com +VIN
que está ligada ao plugue de alimentação. Quando alimentado pelo plugue, a tensão pode
variar entre 6V e 20V, no entanto, pouca tensão pode deixar o Arduino instável facilmente e
muita tensão aquece o regulador, o recomendado é que a tensão esteja entre 7V e 12V
(ibidem).
Algumas outras conexões do Arduino são voltadas a alimentação. Essas estão
marcadas com ‘5V’ para alimentação de 5V, ‘3V3’ para alimentação de 3,3V com corrente
máxima em 50mA (mili-ampéres), ‘GND’ para o aterramento, ‘IOREF’ para indicar a tensão
usada como referência nas entradas e saídas digitais e ‘AREF’ para referência nas saídas
analógicas (ARDUINO, 2013).
23
Entrada e Saída
Cada modelo de Arduino possui suas próprias características. O UNO oferece 14
conexões que podem ser configuradas individualmente via software como entradas ou saídas,
sendo que dessas 14, 6 ainda podem ser usadas com a técnica de PWM (Pulse Width
Modulation – Modulação por Largura de Pulso) de 8 bits, mas para simular saída apenas, para
entrada analógica existem outras 6 portas (conexões) diferentes. As entradas analógicas têm
precisão de 10 bits, possibilitando a leitura de 1024 valores diferentes. As portas 2, 3 e 13 têm
uma funcionalidade especial no Arduino UNO. A 2 e 3 são as únicas que podem ter
interrupções programadas e a 13 já tem um LED embutido na placa.
Além as conexões já citadas, o modelo UNO possui interface serial, encontrada nos
pinos 0 e 1 (TX e RX, respectivamente) ligados a conexão USB, LEDs indicadores de
atividade, e uma interface SPI (Serial Peripheral Interface – Periférico de Interface Serial)
para comunicação com Shields de controle serial (ARDUINO, 2013).
Shields
Shields são placas que podem ser conectadas sobre o Arduino para estender suas
capacidades. Diferentes Shields podem ser usados para os mais diversos propósitos, desde
apenas uma placa com LEDs até uma controladora de rede (ARDUINO, 2013).
Programas
Os programas para Arduino, também chamados de sketchs, são feitos utilizando a
linguagem de programação Wiring, semelhante à linguagem C++. O próprio projeto Arduino
tem um ambiente para programação, mas existem outras ferramentas que permitem programar
em Wiring.
Os sketchs são carregados para a placa do Arduino usando uma comunicação USB, e o
limite de tamanho do programa depende do modelo do hardware. No caso do Arduino UNO a
memória flash é de 32KB, mas apenas 31.5 KB estão disponíveis para armazenar o sketch, o
resto é usado pelo bootloader, que é o software responsável pela carga do sketch. O modelo
UNO tem 2KBs de SRAM (Static Random Access Memory – Memória Estática de Acesso
Aleatório) e EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory – Memória
Apenas de Leitura Programável Eletricamente Apagável ) (ARDUINO, 2013).
24
Quadro 1 Pinos do Arduino
Extraido: ARDUINO, 2013
25
2.3 REED SWITCH
Reed Switches são dispositivos que trabalham com baixas correntes, menos que 1A
(ampère) e são chaves que ao entrar em um campo eletromagnético se fecham e, ao sair,
abrem. Podem ser usadas como sensor eletromagnético digital, como chave interruptora entre
outras aplicações.
A Figura 4 ilustra as partes de uma chave magnética. Como o componente é
encapsulado em um bulbo de vidro com gás inerte, em seu interior pode ser visto duas
lâminas metálicas flexíveis com contatos em suas pontas, já externa ao bulbo, em suas
extremidades estão os terminais. (SABER ELETRONICA, 2001)
Figura 4 Reed Switch
Fonte: SABER ELETRÔNICA, 2001
Ao sofrer a ação de um campo eletromagnético, os contatos internos se atraem
fechando o circuito no qual o componente se encontra. No entanto, para que as lâminas se
juntem, as linhas de força do campo devem estar paralelas às lâminas internas do bulbo. Três
formas podem ser vistas na Figura 5 (SABER ELETRONICA, 2001).
26
Figura 5 Campo em Paralelo
Adaptação: SABER ELETRÔNICA, 2001
A Leitura da cadência é feita com o sensor magnético, embora possa ser feita de outras
formas, dessa maneira existem menos chances de uma interferência externa alterar o
resultado. E por ser uma leitura digital, é possível trabalhar com interrupções se forma direta,
sem um circuito intermediário.
2.4 MOTOR DE PASSO
Motores de passo são dispositivos eletromecânicos capazes de converter pulsos
elétricos em movimentos mecânicos, gerando variações angulares discretas. (BRITES e
SANTOS, 2008)
De acordo com a sequência e a frequência de pulsos enviados ao motor, ele pode ficar
livre, trancado ou rotacionando em uma velocidade controlada. Os motores de passo podem
ser classificados de duas formas: quanto a sua estrutura ou quanto a sua forma de operação.
O principal motivo pela escolha do motor de passo para esse projeto é a capacidade de
definir que o motor deve girar um ângulo determinado e parar na posição esperada. Usando
um motor de corrente contínua, seria necessário um controle adicional. Já a utilização de
servo-motores, se torna inviável, o preço de um servo-motor com capacidade de mover um
descarrilhador é muito elevado, e para aplicar uma redução, a rotação do servo precisaria ser
aproximadamente 6 vezes maior que a encontrada nos servo-motores comerciais, 160 graus.
27
2.4.1 Estrutura
Quanto a estrutura, um motor de passo pode ser classificado pelas três seguintes
características.
Relutância Variável
Os motores de passo de relutância variável possuem um rotor de ferro com muitos
dentes e um conjunto de bobinas. Quando uma bobina é energizada, os dentes do rotor se
encaixam nas engrenagens da bobina devido ao magnetismo (QUEIROZ, 2013).
Ímã Permanente
Os motores de passo de ímã permanente possuem ímãs permanentes e não têm dentes,
a rotação se dá apenas pela atração dos polos magnetizados das bobinas com o polo do ímã
encontrado no rotor (ibidem).
Híbrido
É caracterizado pela combinação dos motores de ímã permanente com os de relutância
variável. Possui um ímã permanente ao redor do rotor dentado, de forma com que o
magnetismo ajude a encaixar as engrenagens com maior facilidade (ibidem).
2.4.2 Forma de Operação
Quanto a forma de operação do motor de passo, pode-se classificar de duas formas,
unipolares e bipolares. A forma de operação do motor é de grande valia para o projeto, sendo
que o microcontrolador que irá operar o motor, precisa ter os controles implementados.
Unipolar
Motores de passo unipolares possuem dois enrolamentos por fase, sendo assim cada sentido
da corrente tem o seu enrolamento. Para conduzir um motor desse tipo existem duas formas,
invertendo o sentido da corrente como é feito com motores bipolares, ou aterrando os fios
comuns conectados ao meio das bobinas e enviando pulsos alternadamente para as
extremidades das bobinas. A Tabela 1 mostra a sequência mais simples para enviar os pulsos
às bobinas, quando o centro das bobinas está aterrado, onde ‘0’ indica aterramento e ‘1’ indica
com corrente. Na
Tabela 2 e
Tabela 3 são apresentadas formas de obter o dobro de torque e o dobro da precisão
respectivamente (MESSIAS, 2006).
28
Tabela 1 Passo Completo Simples
Passo Bobina 1 Bobina 2 Bobina 3 Bobina 4
1 1 0 0 0
2 0 1 0 0
3 0 0 1 0
4 0 0 0 1
Tabela 2 Passo Completo com Dobro de Torque e Consumo
Passo Bobina 1 Bobina 2 Bobina 3 Bobina 4
1 1 1 0 0
2 0 1 1 0
3 0 0 1 1
4 1 0 0 1
Tabela 3 Meio Passo com Dobro de Precisão
Passo Bobina 1 Bobina 2 Bobina 3 Bobina 4
1 1 0 0 0
2 1 1 0 0
3 0 1 0 0
4 0 1 1 0
5 0 0 1 0
6 0 0 1 1
7 0 0 0 1
8 1 0 0 1
Bipolar
A Figura 6 mostra um motor de passo bipolar aberto. Esse tipo de motor de passo
possui um único enrolamento por fase. A Figura 7 apresenta um modelo esquemático de um
motor de passo bipolar. Ao inverter o sentido da corrente, os polos magnéticos do imã atraem
ou repelem o rotor. Quando pulsos elétricos são enviados de forma correta, o motor entra em
movimento (QUEIROZ, 2013).
Motores unipolares são muito parecidos com os motores bipolares, no entanto motor
de passo bipolar não possui fios conectados ao enrolamento central da bobina. Ao deixar
desconectadas todas as conexões comuns de um motor unipolar, é possível controlá-lo da
mesma forma que se controla um motor bipolar. A diferença é que, neste caso, a bobina
inteira será utilizada, e em teoria, dobra assim sua resistência.
29
Figura 6 Motor de Passo Aberto
Adaptação: POLOLU, 2013
Nesse TTC será utilizado o circuito integrado ULN2803 para controlar dois motores
de passo unipolares. A preferência pelos motores unipolares a bipolares se dá pela
simplicidade do circuito intermediário localizado entre o motor de passo e o
microcontrolador. Usando um motor de passo bipolar, esse circuito auxiliar iria inverter o
sentido da corrente, tal como uma ponte H.
Figura 7 Modelo de Motor de Passo Bipolar
Fonte: QUEIROZ, 2013
30
2.5 POTENCIÔMETRO
Potenciômetros são dispositivos eletro mecânicos que convertem movimento retilíneo
ou circular em variação de resistência, de acordo com o posicionamento do seletor. Na Figura
8 é visto um modelo comum de potenciômetro com três terminais (ELLIOTT, 2002).
Figura 8 Potenciômetro
Fonte: ROSS, 2014
A resistência do potenciômetro varia de forma linear ou logarítmica, de acordo com o
modelo, bem como o formato e a quantidade de voltas. Quando o eixo está posicionado à uma
extremidade, a resistência entre o terminal base e o terminal dessa extremidade é nula, e a
resistência entre o terminal base e o terminal da outra extremidade é a resistência máxima
oferecida pelo dispositivo (ibidem).
Uma característica importante desse dispositivo para o projeto é que o potenciômetro
pode ser utilizado como um divisor de tensão. Quando uma das extremidades está conectada
ao aterramento e a outra está conectada ao VCC, o conector base varia de acordo com a
posição entre 0V e a tensão de alimentação. Dessa forma é possível fazer uma leitura
analógica da posição do eixo (JUSTEN, 2011).
31
Figura 9 Divisor de Tensão
A Figura 9 em conjunto com a Equação 2 mostram o princípio da divisão de tensão
utilizado pelo potenciômetro. O terminal Vin é o pino do potenciômetro que é ligado ao Vcc
do Arduino, equanto o Vout é o pino do potenciômetro ligado à porta analógica do Arduino
(ALLABOUTCIRCUITS, 2012).
Equação 2 Divisor de Tensão
Fonte: JUSTEN, 2011
2.6 MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA
O motor CC (Corrente Contínua), também conhecido como motor DC (Direct
Current), é composto de um conjunto de enrolamentos ou imãs permanentes, chamado estator
e um enrolamento de armadura, chamado rotor (HONDA, 2006). A Figura 10 mostra o
aspecto externo comum para um motor CC.
32
Figura 10 Motor CC
Fonte: CONSORTIUM ON COGNITIVE SCIENCE INSTRUCTION, 2008
Funcionamento
Aplicando uma corrente contínua sobre a bobina do rotor, este age como um
eletroímã, repelindo e atraindo os polos opostos do campo magnético do estator. As forças
magnéticas, no entanto, movem o rotor até um limite. A medida que o rotor se movimenta, o
sentido da corrente deve inverter, e consequentemente, inverter a polaridade do campo
magnético, agora atraindo o motor para uma nova posição (HONDA, 2006).
A inversão do sentido da corrente se dá pelo comutador ligado ao rotor. O comutador é
um conjunto de lâminas conectadas às bobinas do rotor. À medida que o rotor se movimenta,
escovas que estavam em contato com as lâminas passam a contatar as próximas lâminas,
alterando o sentido da corrente, ou acionando as próximas bobinas do rotor.
O torque e a velocidade do motor têm uma relação estreita com o posicionamento das
escovas do comutador. O momento adequado à troca de sentido da corrente é o ponto de
equilíbrio entre as forças repulsivas e de atração, tirando proveito da inércia do rotor
Prós e contras
Motores CC têm ciclo contínuo, mesmo em baixa rotação, e um torque elevado em
baixas rotações. O controle de velocidade é relativamente simples e a variação de velocidades
muito abrangente. Em contrapartida, são mais caros que motores de indução de mesma
33
potência e têm limitação de tensão máxima. Faíscas são geradas pelo curto da indução das
bobinas na comutação, não sendo adequado o seu uso em ambientes de risco (HONDA,
2006).
2.7 PONTE H
Ponte H é um circuito composto basicamente de um motor e quatro chaves mecânicas
ou eletrônicas dispostas de forma que o esquemático assemelha a letra H, como mostra a
Figura 11. Daí o nome do circuito (PATSKO, 2006).
Figura 11 Representação da Ponte H
Adaptação: PATSKO, 2006
Para controlar o sentido de rotação do motor, as chaves devem ser combinadas.
Mantendo as chaves C e B abertas, chave A deve ser fechada junto com a chave D,
completando o circuito e movimentando o motor. Invertendo o estado das quatro chaves, o
motor gira no sentido inverso. Para desligar o motor as quatro chaves podem ser abertas
(ibidem).
A Figura 12 mostra um circuito pronto usando o CI L298N. Esse CI possui duas
pontes H internamente, trabalha com motores de até 46V e pode fornecer no máximo 4A. No
entanto, mesmo possuindo duas pontes, o circuito tem apenas quatro entradas de controle.
Isso porque o controle das chaves A e D, representados na Figura 11, podem ser ligados entre
si, bem como o controle das chaves B e C. Em uma montagem com transistores atuando como
chave, as bases estariam ligadas.
34
Figura 12 Ponte H Dupla
Fonte: FILIPEFLOP, 2013
2.8 ULN2803
O ULN2803 é um circuito integrado com um array (matriz) de portas lógicas NOT,
projetado para ser compatível com a família TTL (Transistor-Transistor Logic - Lógica
Transistor-Transistor) padrão (MOTOROLA, 1996). A Família de circuitos TTL tem como
principal característica trabalhar com 5V (DON LANCASTER, 1975).
35
Figura 13 ULN2803
Fonte: MOTOROLA, 1996
Na Figura 13 é mostrado um esquema das portas do ULN2803. Esse CI (Circuito
Integrado) possui 8 portas de entrada TTL e 8 portas de saída. A tensão das portas de saída
são ideais para controle de periféricos podendo chegar a até 50V com corrente máxima de
500mA. A tensão de saída é a mesma utilizada para alimentar o CI, tensão esta fornecida
pelos pinos 9, GND, e pino 10, Vcc. (MOTOROLA, 1996)
2.9 TRABALHOS RELACIONADOS
Durante as pesquisas de trabalhos relacionados quatro projetos se destacaram:
T.Y. Lin et al
Em Taiwan, três engenheiros mecânicos modelaram um sistema de troca de marchas
de uma bicicleta que tem como objetivo garantir o máximo conforto e o mínimo esforço do
ciclista. Para alcançar o objetivo, foi calculada qual a potência que um ciclista não atleta pode
gerar sem sofrer com a fadiga, chegando à conclusão de que mantendo a cadência entre 60 e
100 pedaladas por minuto, o corpo humano pode produzir em torno de 75W durante várias
horas (T.Y. Lin et al, 2009).
O sistema baseia-se em lógica fuzzy para calcular o momento mais propício à troca de
marchas. Sua estratégia é manter uma cadência ótima sem perder o conforto. Como resultado
foi produzido um programa que é executado em um micro processador acoplado à bicicleta
(ibidem).
36
No presente projeto de TTC, não será utilizado lógica fuzzy bem como quaisquer
técnicas de inteligência artificial, mas o sistema a ser desenvolvido se assemelha ao sistema
apresentado pelo fato de utilizaram um microcontrolador e a leitura de cadência para tomar as
decisões de troca de marcha.
Connected Bike
A empresa britânica Cambridge Consultants (2012) desenvolveu um projeto para
trocas de marchas chamado de Connected Bike. Fazendo a leitura de velocidade, cadência e
capturando dados do acelerômetro de um smartphone, o aplicativo embarcado em um
smartphone define a melhor marcha para o momento.
Figura 14 Connected Bike
Fonte: CAMBRIDGE CONSULTANTS, 2012
Esse sistema permite a troca manual, automática ou pelo smartphone. No entanto é
limitado a conjuntos de câmbio da empresa Shimano. O diferencial desse projeto é a
possibilidade de, em desacelerações bruscas, passagem de mais de uma coroa por vez. Com
base nos dados obtidos do GPS (Global Position System – Sistema de Posicionamento
Global) o sistema pode prever a troca de marchas em uma subida ou descida. A Figura 14
apresenta a interface do Connected Bike em um dispositivo móvel (ibidem).
37
Assim como no Connected Bike, neste TTC a forma como as marchas são trocadas,
permite uma rápida desaceleração e, dependendo do posicionamento da corrente e da
cadência, uma rápida aceleração. Na Tabela 4, há um comparativo dos recursos utilizados, ou
disponíveis ao usuário, entre os projetos relacionados e o projeto desenvolvido neste TTC.
NuVinci
Outro grupo chamado NuVinci (2012), automatizou um de seus sistemas de câmbios
para bicicletas. O sistema original não é baseado em descarrilhadores, mas sim em uma
transmissão toroidal, onde as relações não são pré-definidas. Em um sistema toroidal apenas
as marchas limites são pré-definidas, baseada na posição de deslocamento máximo que se
pode obter no sistema construído, como pode ser visto na Figura 15.
Figura 15 Modelo Toroidal NuVinci
Adaptação: ANDRADE, 2012
Devido à forma como essa transmissão trabalha, a automatização aumenta ou reduz a
marcha gradualmente, contudo, ainda permite que o usuário desabilite a automatização e faça
as trocas eletronicamente quando achar cabível (ibidem).
Neste TTC, a troca de marchas também será suavizada a medida do possível, mas
como o câmbio alvo do projeto é baseado em descarrilhadores, logo a suavidade máxima que
pode ser alcançada pelo sistema proposto, tende a ser menor que a obtida pelo NuVinvi. O
projeto fica a mercê da resolução obtida com o conjunto de coroas disponíveis na bicicleta.
38
Copenhagen Wheel
Estudantes do MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto de Tecnologia
de Massachusetts) estão desenvolvendo um sistema que ajuda o ciclista a manter o ritmo da
pedalada com base na cadência, torque e inclinação. O sistema armazena energia gerada pelo
movimento da roda e usa essa energia para ajudar o ciclista em situações que exijam maior
esforço (GALILEU, 2013).
O sistema pode ser adaptado a qualquer bicicleta de aro 26``. Integrado com um
Smartphone, pode mostrar dados ao ciclista, bem como, avisar sobre amigos que usam o
sistema e apresentar suas informações. O Sistema será comercializado no primeiro semestre
de 2014 com o nome de Copenhagen Wheel, a Figura 16 mostra o produto. (ibidem).
Figura 16 Copenhagen Wheel
Fonte: GALILEU, 2013
39
Tabela 4 Comparativo
Recurso T.Y. Lin Connected Bike NuVinci Copenhagen
Wheel TTC
Troca Manual Não Sim Sim - Projeto Futuro
Micro
Controlador Sim Sim Sim Sim Sim
Fuzzy Sim - Não - Não
Conforto Sim Sim Sim Sim Sim
Cadência Sim Sim - Sim Sim
Velocidade - Sim - Sim Estimável
Acelerômetro Não Sim Não Sim Projeto Futuro
GPS Não Sim Não Sim Projeto Futuro
Conjunto de
Câmbio
1 Descar-
rilhador
2 Descarrilha-
dores Shimano
1
Toroidal Nenhum
2
Descarrilhadores
Desaceleração
Brusca - Sim - - Sim
Aceleração
Brusca - Sim - - Sim
Smartphone Não Sim Não Sim Projeto Futuro
Rede Social Não Não Não Sim Projeto Futuro
40
3 PROJETO
Para automatizar o câmbio da bicicleta, o conjunto do software e do hardware precisa
trabalhar com a maior harmonia possível. O sistema deve trabalhar coletando dados,
processando-os e atuando. Nesse projeto foi utilizado o Arduino UNO para manipular os
dados e atuadores.
A troca de marchas é feita para manter uma cadência sempre em torno de 60 pedaladas
por minuto, que é a cadência que menos exige desgaste do ciclista. Sendo assim, é preciso
calcular a cadência, escolher a melhor marcha para manter estável e fazer a troca. O
fluxograma apresentado na Figura 17 mostra a sequencia de processamento do laço principal
do programa e o tratamento de interrupções.
Figura 17 Fluxograma do software
Com base na cadência e na marcha atual o sistema calcula qual é a melhor marcha
para o momento, enquanto a marcha atual for a melhor, ele apenas recalcula a melhor marcha,
quando há uma alteração na cadência, o resultado do cálculo é afetado. Antes de mover os
descarrilhadores para a nova marcha, o programa avalia qual das marchas que podem
41
utilizadas, sem cruzar a corrente, e usa a que mais se aproxima da marcha ideal. Ao término
da troca a nova marcha é guardada, ela será utilizada nos próximos calculos.
Para iniciar um ciclo de troca de marchas a cadência precisa ser alterada, e a único
código que altera a cadência é o de controle de interrupções. Sabendo que para ocorrer uma
interrupção o pedal precisa estar em movimento, sabe-se que a troca só inicia com o pedal em
movimento também, pois o tempo de cálculo é menor que 10 milisegundos. Isso não garante
que a o pedal vai estar em movimento durante todo o tempo de troca.
Ainda observando a Figura 17. A primeira interrupção tem apenas o horário que
ocorreu guardado, nas próximas o valor da cadência pode ser calculado utilizando o horário
que ocorreu a interrupção anterior, mas antes de gravar a nova cadência, alguns filtros são
feitos, falhas na leitura ou cadências discrepantes são descartados.
3.1 LEITURA DA CADÊNCIA
A leitura da cadência é feita com utilização de um sensor magnético, conhecido como
reed-switch, e um imã. Outra forma de fazer a leitura seria com um sensor óptico, mas ele
poderia sofrer muita interferência do ambiente. A poeira, por exemplo, poderia obstruir a
visão de um sensor óptico, ou até mesmo usando encoder. Encoder é um mecanismo que
permite saber a quanto um eixo rotaciona, e em alguns modelos até a direção da rotação. Com
um encoder haveria a necessidade de alterar a estrutura da bicicleta ou calibrar o sistema, o
que reduziria a precisão. O sensor magnético está fixado no quadro da bicicleta, apontando
para a coroa interna, onde se encontrará um imã que irá excitá-lo, fechando seu circuito.
O imã acompanha a coroa e a cada volta passa no campo de leitura do sensor. Quando
o imã fechar a chave magnética indicará que uma volta foi completada, isto considerando que
o ciclista não pedala no sentido inverso.
A fim de evitar problemas com campos eletromagnéticos que possam vir a produzir
tensão suficiente para excitar a porta de entrada da placa Arduino, quando a chave estiver
aberta a leitura está em alta, e quando a chave fecha o circuito é aterrado.
Por se tratar de uma chave e não consumir mais que 40mA, a alimentação do sensor é
provida pela própria placa Arduino. O fio de leitura é conectado ao pino digital 2, onde é
encontrado o primeiro gatilho de interrupção do Arduino UNO.
42
No sketch, programa do Arduino, quando há interrupção, o contador de clock não é
incrementado até que o código responsável pelo tratamento da interrupção termine sua
execução. Sendo que o Arduino UNO trabalha com um clock em 16MHz, a desvantagem de
perder o tempo de execução de um pequeno código é desprezível quando comparado com a
vantagem de garantir que nenhum pulso é perdido.
Figura 18 Posicionamento do Imã
Observe a Figura 18, o ponto preto ilustra o posicionamento do ímã. À medida que a
coroa rotaciona no sentido mostrado pela seta azul, o ímã percorre o caminho indicado em
amarelo. Ao chegar junto à linha A, a chave magnética fixa no quadro fecha, aterrando o
circuito, nesse momento gatilhos de change (troca) e falling (queda) são disparados.
Continuando o trajeto do imã, até chegar à linha B, onde novamente o gatilho de
change é disparado, mas desta vez disparando o gatilho rising (subida), pois o sensor abre o
circuito de aterramento, deixando assim a leitura em alta. Durante todo o percurso entre A e
B, marcado em magento, o gatilho de low (baixo) é disparado, e no percurso marcado em
amarelo nada acontece, pois o modelo UNO não possui suporte ao gatilho high (alto).
A interrupção esta configurada com o gatilho de falling, ou seja, será disparada apenas
quando o sinal estiver passando de um estado com energia para um estado sem energia. Essa é
43
a melhor forma de usar o gatilho, pois o gatilho deve ser ativado uma e somente uma vez em
cada volta completa da coroa.
Utilizar o gatilho em rising também funcionaria, a vantagem de usar o gatilho em
falling é o fato das chances, ao iniciar o sistema, da leitura ser alta são maiores. O que quer
dizer que, o tempo até a primeira leitura de decida tem maiores chances de ser menor do que
até a primeira leitura de subida. Sendo assim a primeira marcha tende a ser calculada mais
cedo.
Sabendo que a cada interrupção uma volta foi completada, para calcular a rotação em
voltas por minuto é utilizado a
Equação 3, na mesma ∆t é a diferença de tempo entre uma leitura e outra expressa em
μs. Dividindo 106, que é um segundo expresso em microssegundos, por ∆t, está se aplicando a
regra de três para calcular a equivalência de quantas pedaladas seriam dadas em um segundo,
em outras palavras, a cadência em pedaladas por segundo, multiplicando por 60, o produto é a
cadência em pedaladas por minuto. (HALLIDAY, 2012)
60
Equação 3
Observa-se que, como o contador de microssegundos do Arduino utiliza um tipo
unsigned long (longo sem sinal), após aproximadamente 70 minutos o contador reinicia
devido ao overflow (estouro de capacidade). Também nota-se que como o clock é de 16MHz,
além do estouro, que a resolução será de quatro microssegundos. Esses dados foram levados
em consideração ao criar a lógica para calcular a cadência, evitando anomalias.
3.2 PROCESSAMENTO DA MARCHA
Para o circuito controlador é utilizado a plataforma denominada Arduino. É uma
plataforma que tem se tornado comum no meio acadêmico e principalmente pode ter código
aberto. O Arduino é um recurso para prototipagem voltada ao meio acadêmico e hobbistas, e
todo o projeto tem o código aberto e por conta disso, existem muitos similares no mercado.
Muitos acessórios foram e continuam sendo desenvolvidos para agregar soluções a plataforma
(ARDUINO, 2013).
44
A escolha da marcha adequada é feita para manter a cadência mais próxima possível
de 60. No entanto, algumas regras são seguidas.
Não saltar mais que duas marchas em cada catraca;
Não cruzar a corrente de forma que comprometa o câmbio.
Trocar muitas marchas de uma só vez pode forçar o descarrilhador, desregulando-o.
Um descarrilhador desregulado comprometerá todo o sistema de câmbio automatizado, pois a
única forma que o sistema tem de saber em que coroa a corrente está é pela posição do
atuador.
Cruzar a corrente é colocá-la em uma coroa externa e em uma coroa interna, além de
enfrentar maior resistência para estabilizar a transmissão, o atrito lateral causará desgaste
tanto da corrente como dos dentes das coroas, podendo fazer com que a corrente abra ou
dificulte estabilização da transmissão no caso de um dente entortar.
O cálculo da redução de uma coroa para outra pode ser feito utilizando a Equação 4,
onde Ca e Cb indicam a medida da circunferência de cada uma das duas coroas onde a
corrente se encontra (HALLIDAY, 2012).
Equação 4
O tamanho do pedivela também criará uma relação de redução, funcionará com uma
alavanca. Da mesma forma o tamanho da catraca traseira para o tamanho da roda traseira
criam outra alavanca (BONJORNO, 2001).
A velocidade angular do pedivela e da coroa ligada a ele pelo eixo é a mesma, bem
como o da coroa ligada a roda traseira da bicicleta e a própria roda também é a mesma. Sendo
que o pedivela funciona como uma alavanca e a roda traseira também, temos duas alavancas.
Considerando que a força que o ciclista estará fazendo gera o movimento da bicicleta,
e que essa força será aplicada entre a roda e um plano, quando a velocidade cair será por falta
de força, além disso, que a força necessária para a aceleração após uma troca de marchas será
adicionada pelo ciclista a fim de controlar a velocidade da bicicleta. O controle das trocas de
45
marcha, para manter a mesma pedalada foi baseado na diferença de redução entre as coroas e
seu efeito no câmbio completo, pedivela à roda.
Ao iniciar o sketch, a Tabela 5 relacionando cada possível combinação de coroas deve
ser carregada com a redução resultante de cada combinação. Essa redução deve ser do
conjunto de câmbio completo.
Tabela 5 Relações de Transmissão
Posição
Dianteira
Raio
Dianteiro
Relação
Dianteira
Posição
Traseira
Raio Traseiro Relação
Traseira
Relação Final
1 5,926930081 1,868263969 1 5,926930081 4,230363709 0,441631996
1 5,926930081 1,868263969 2 5,080225783 5,102090994 0,366176137
1 5,926930081 1,868263969 3 4,445197561 5,973818279 0,312742016
1 5,926930081 1,868263969 4 3,810169338 7,136121325 0,261803841
1 5,926930081 1,868263969 5 3,386817189 8,153136491 0,229146657
1 5,926930081 1,868263969 6 2,96346504 9,460727418 0,197475721
2 5,926930081 1,113457662 1 5,926930081 4,230363709 0,263206130
2 5,926930081 1,113457662 2 5,080225783 5,102090994 0,218235555
2 5,926930081 1,113457662 3 4,445197561 5,973818279 0,186389610
2 5,926930081 1,113457662 4 3,810169338 7,136121325 0,156031212
2 5,926930081 1,113457662 5 3,386817189 8,153136491 0,136568014
2 5,926930081 1,113457662 6 2,96346504 9,460727418 0,117692606
3 10,16045157 0,673153982 1 5,926930081 4,230363709 0,159124375
3 10,16045157 0,673153982 2 5,080225783 5,102090994 0,131936883
3 10,16045157 0,673153982 3 4,445197561 5,973818279 0,112684041
3 10,16045157 0,673153982 4 3,810169338 7,136121325 0,094330513
3 10,16045157 0,673153982 5 3,386817189 8,153136491 0,082563806
3 10,16045157 0,673153982 6 2,96346504 9,460727418 0,071152455
Conhecendo a redução e a cadência, poderá ser calculada a rotação da roda usando a
Equação 4 e recalculada a relação correta utilizando a mesma equação. De posse desse dado o
sistema irá escolher entre as relações de marcha que podem ser utilizadas, qual é a que tem
menor diferença com a relação ideal calculada.
Ainda assim, a Equação 4 não leva em conta o tamanho do pedivela e da roda, então
ela é substituída pela Equação 5 no cálculo da relação ideal, bem como no cálculo da tabela
carregada inicialmente.
46
Equação 5
A Equação 5 é a relação entre as duas relações, calculadas com o princípio de alavanca
mostrado na Figura 19. Nessa equação, r é medida do raio. A fração a da equação representa
a alavanca A da figura, é o raio do pedivela, na Figura 19 o eixo está marcado em
vermelho, dele está sendo subtraído , raio da coroa da frente, para obter a medida entre o
limite da coroa e o pedal, o resultado é dividido pelo próprio , completando a relação da
alavanca A.
Figura 19 Alavancas
A segunda parte da Equação 5 é a relação da coroa de trás com a roda, marcada como
b na equação. Nela divide-se a diferença entre o raio da roda e o raio da catraca traseira,
respectivamente marcados como e . Finalmente faz-se a transferência marcada pela linha
tracejada na Figura 19, uma divisão na Equação 5.
A Tabela 5 mostra como foi carregado os dados iniciais referentes à relação de
transmissão de uma possível bicicleta que acomodará o protótipo, essa possui uma roda com
47
31 cm de raio e um pedivela de 17 cm. Os valores foram calculados utilizando a Equação 5,
no entanto, o Arduino UNO irá utilizar apenas seis casas decimais, já que o tipo Double
possui o mesmo tamanho do tipo Float.
Nesse protótipo, o cruzamento máximo da corrente admitido é o espaçamento padrão
de duas coroas e meia, o Quadro 2 mostra as possíveis ligações marcadas dom um e com
um - as ligações não permitidas. Nas linhas encontram-se as coroas traseiras e nas colunas nas
coroas dianteiras.
Quadro 2
Ligações permitidas 0 1 2
0 -
1 -
2 -
3 -
4 -
5 -
3.3 ATUADOR
O atuador, que efetiva a troca das marchas, é composto de motores, um para cada cabo
de marcha. Um cabo auxiliar será ligado ao cabo já existente e ao eixo do motor, que à
medida que for trabalhando, irá liberar ou esticar o cabo, trocando de marcha da mesma forma
como já funciona um câmbio comum.
Para que o atuador funcione corretamente, os cabos originais devem ficar na posição
mais relaxada possível, evitando que ao relaxar o cabo adicional, o cabo original fique
esticado impedindo o movimento do descarrilhador.
A Figura 20 ilustra os cabos, a linha azul representa o cabo de marcha original, que
ao ser esticado corre na direção da seta preta. A esse cabo será ligado um cabo auxiliar,
marcado em vermelho. Quando o cabo original estiver frouxo, o cabo auxiliar assume o
controle puxando-o na direção indicada pela seta verde. A espiral na ponta do cabo auxiliar,
vermelho, indica o posicionamento do motor de passo.
48
Figura 20 Cabos
Os motores de passo utilizados são do tipo unipolar com cinco fios, um comum e os
quatro fios ligados nas extremidades das bobinas. A tensão de alimentação dos motores de
passo será maior que a fornecida pelo Arduino através de qualquer uma das suas saídas. Para
poder controlar os motores de passos será utilizado um componente intermediário. Esse
componente intermediário é o ULN2803, que basicamente receberá sinais digitais de cinco
volts e replicará o sinal em suas saídas com a tensão que será fornecida pela bateria.
Os motores de passo têm força para aguentar aproximadamente 240 gramas a um
centímetro do eixo aplicando-se 9V a meia bobina (unipolar). Há bobinas com resistência de
110Ω e precisão de 15º ou 7,5º a meio passo. Sendo que a força necessária para puxar os
cabos é maior, está clara a necessidade de uma redução ou motor mais forte.
A Figura 21 mostra o tipo de redução rosca sem fim. Esse tipo de engrenagem é
utilizado quando se necessita de grandes reduções. Na gravura, o eixo em azul da rosca sem
fim laranjada é o eixo do próprio motor de passo, percebe-se que para a engrenagem cinza
girar o equivalente a apenas um dente, o motor de passo terá que dar uma volta completa,
surge uma redução. O cabo auxiliar enrola no eixo marcado em verde seguindo frisos que
evitam que ele se sobreponha. Sendo que a força da rosca sem fim é aplicada na extremidade
da peça, outra redução se dá pelo fato de que o cabo esta ligado mais próximo ao eixo.
49
Figura 21 Redução
Em contrapartida ao aumento da força está o tempo que o sistema irá utilizar para
realizar a troca das marchas. À medida que a força aumenta, o tempo aumenta também. O que
pode tornar o uso de uma redução muito grande, inviável para uma aplicação final.
3.4 ALIMENTAÇÃO
A alimentação elétrica do sistema é fornecida por meio de uma bateria recarregável. A
bateria precisa de uma carga suficiente para manter o sistema operante por algumas horas sem
a necessidade de recarga.
Sabendo que funcionando com 11,1V o hardware irá consumir em torno de 270mAh,
estima-se que uma bateria de 2200mAh de 20-40 ciclos possa alimentar todo o sistema pelo
período de 8 horas, sem necessidade de recarga. Dessa forma uma bateria de Li-Po de 3
células com carga de 2200mAh e tensão resultante de 11.1V pode ser utilizada neste projeto.
A Figura 22 mostra uma bateria que se encaixa no perfil do projeto.
50
Figura 22 Bateria
4 DESENVOLVIMENTO
A etapa de desenvolvimento do projeto foi dividida em atividades relatadas
especificando sua execução. A organização dessas tarefas permitiu a implementação do
sistema de trocas de marchas automatizado.
4.1 MONTAGEM DO HARDWARE
4.1.1 Materiais
Com base no estudo de recursos feito durante a elaboração do TTC I, os materiais
necessários para a montagem do protótipo foram reunidos, e um ambiente de trabalho
definido. A montagem da parte elétrica do projeto foi feita em casa, já que os materiais usados
são na maioria itens pequenos. A montagem da parte mecânica foi feita em uma fábrica de
bicos de injeção automotivos, esse local é adequado pela disponibilidade das ferramentas de
maior porte.
Os materiais e ferramentas usados foram: Furadeira de bancada - várias brocas; Morsa
de bancada; Paquímetro; Cerras para ferro; Bigorna; Marreta; Martelo; Torno; Alicates;
Chaves de boca; fenda e fenda cruzada; Fonte de computador; Secador de cabelo; Máquina de
solda; Esmeril; Lima; Ferro de solta; Tubo para hidrante; Carcaças de motor de injeção de
combustível; Eixos de impressora HP deskjet 660c com engrenagem; Diversos parafusos,
porcas e arruelas; Pregos; Buchas para motor de arranque; Suportes para cano de descarga
automotiva; Graxa; Borracha de câmara de ar; Arduino; Fios; Reed switch; Imã; Liga de
51
estanho com chumbo; Conectores; Capacitor cerâmico; Regulador de tensão; Baterias; Tubos
termo retráteis; Placa de cobre perfurada; Tela de celular; Carcaça de modem; Motores;
Potenciômetros multi-volta; Computador; Fitas com trava; Neutrol; Capa de aparelho de
barbear; Circuito de Ponte H dupla; Bicicleta para teste; Multímetro.
4.1.2 Elétrica
Com o reed swich em mãos, o primeiro passo foi testar o funcionamento do mesmo,
com um imã de alto falante e um multímetro. Como era esperado, o reed switch fechava ao
aproximar o imã, no entanto, na prática, pôde-se notar que ao aproximar o imã apenas de um
terminal, o sensor era mais sensível.
O reed switch é um dispositivo muito frágil e, para proteger o sensor, após ligar com
fios e estanho os terminais com um conector, ele foi protegido com uma capa e mergulhado
em neutrol, deixando apenas o conector para fora. O neutrol forma uma proteção adequada
para o dispositivo e mantém suas características de funcionamento.
O circuito de controle de dois motores de passo foi montado e testado, inclusive com
uma biblioteca para controle dos motores, antes de ser instalado na bicicleta. Mais tarde, a
biblioteca para controle dos motores de passo foi descartada, pois os motores foram
substituídos por motores de corrente contínua.
Quando o sistema inicia, precisa saber em que posição os atuadores estão para
posicionar-se corretamente. Por isso, um potenciômetro de múltiplas voltas foi adicionado ao
projeto. Com o potenciômetro, a precisão do motor de passo deixa de ser tão interessante
quanto era no início, e a força de um motor DC passa a ser mais interessante.
Para controle do motor de corrente contínua, foi estudado o circuito de ponte H, que
embora seja simples, é eficaz. Realizado os testes, verificou-se que a ponte H atendeu às
necessidades do projeto.
Vários testes foram realizados com diversos motores. Alguns ultrapassavam os valores
de corrente permitidos, e os motores elétricos utilizados em carros foram substituídos por
motores utilizados em impressoras. Aplicando 12V, a corrente é de 250mA, bem abaixo do
limite da ponte usada. Posteriormente, essa tensão foi aumentada para 24V,
consequentemente o motor travado passou a consumir até 700mA, ainda abaixo do limite do
circuito e das baterias.
52
Cada um dos dois potenciômetros também foram testados, e desempenharam muito
bem a tarefa de divisor de tensão. Nesse projeto, a resistência do resistor não é algo
extremamente relevante, apenas deve ser alta o suficiente para evitar uma sobre corrente. Foi
usado o mesmo valor da resistência sugerida no site do Arduino, 10KΩ.
Para facilitar a remoção de partes das peças durantes os testes, uma pequena placa
ilhada foi usada, em conjunto com vários conectores ligando os fios. E já que estava sendo
feito uma placa, um regulador de tensão foi adicionado, apenas para evitar o aquecimento do
regulador presente na própria placa do Arduino. Mais tarde um capacitor cerâmico de 100µF
foi usado nessa mesma placa, para filtrar ruídos, caso fosse preciso reduzir a quantidade de
código no Arduino.
Toda a parte elétrica foi alocada em uma caixa de plástico, exceto as baterias, que
ficaram atrás do selim. Pouco antes de fazer testes em campo, para facilitar a depuração e
análise do sistema em funcionamento, uma tela de celular foi ligada diretamente no Arduino,
e fixada junto à carcaça do modem, que por sua vez, foi presa ao guidão, assim a caixa de
montagem que a substituiria não foi usada. A Figura 24 mostra a disposição do Arduino, da
ponte H e da placa auxiliar dentro da carcaça, já a
Figura 23 apresenta a localização caixa.
Figura 23 Tela
53
Figura 24 Montagem Elétrica
Para poder iniciar os testes, uma fonte antiga de computador foi usada como
alimentação de 5V e 12V. Ao mudar o motor, a fonte a ser usada foi de 19V. Antecedendo as
baterias originais do projeto, duas baterias de no-break 12V 7A foram alocadas atrás do selim,
agrupadas em série, fornecendo 12V e 24V. A Figura 25 mostra a alocação das duas baterias
de no-break na bicicleta.
54
Figura 25 Baterias
A Figura 26 trata-se do esquema eletrônico montado para o projeto, onde é possível
ver que os motores não estão ligados diretamente ao Arduino e que possuem uma alimentação
própria. O reed switch faz aterramento quando fecha, e não possui um resistor de elevação,
pois a própria porta do Arduino pode ser configurada para manter o sinal elevado.
55
Figura 26 Esquema Eletrônico
56
4.1.3 Mecânica
A montagem do atuador foi uma importante etapa nesse projeto. E por não ser o foco
do curso, foi uma das primeiras etapas a ser realizada. Isto evitou possíveis riscos que
inviabilizariam o projeto mais adiante.
O primeiro atuador foi montado à medida que os materiais foram encontrados. A
primeira parte feita foi uma base para manter as engrenagens no lugar correto. Base feita com
um pedaço de cano usado em hidrantes, que foi aberto e cortado. As partes cortadas foram
soldadas formando uma caixa aberta em dois lados.
Em seguida a caixa foi furada, uma bucha de motor de arranque foi posta em cada
furo. O parafuso foi furado e torneado para fazer a peça de rosca sem fim. Neste ponto já foi
possível fazer o primeiro teste do atuador, colocando as engrenagens no lugar. A engrenagem
funcionou como redução, e ao liberar o eixo de rosca sem fim, a saída da redução trava. Na
Figura 27 pode ser visto uma foto do atuador ainda em fase de montagem.
Figura 27 Aparência externa do atuador
Uma chapa foi soldada para dar suporte ao motor e parafusos foram soldados para
fechar a lateral da caixa. O lado em que o motor é acoplado não foi fechado intencionalmente,
para facilitar o acompanhamento do atuador. Um suporte foi soldado junto à caixa para fixá-la
na bicicleta.
57
A tampa que fecha a caixa foi perfurada e uma saliência auxiliar, também perfurada,
foi posta sobre o furo para suportar o potenciômetro. O corte do eixo da engrenagem foi feito
de forma que o eixo pudesse ser ajustado. Assim, a ponta do eixo da engrenagem foi
trabalhada de forma a se encaixar na fenda do eixo do potenciômetro. A Figura 28 mostra o
atuado com o potenciômetro já fixo ao local definitivo.
Figura 28 Localização do Potenciômetro
O motor foi preso ao suporte e a caixa foi testada com a tampa ainda aberta. Para
facilitar o movimento, graxa foi aplicada nas engrenagens, e a caixa deixada ligada durante
58
uma hora em cada direção, a fim de garantir que as engrenagens não travassem. Depois disso,
o eixo de saída foi perfurado e a tampa foi posta na caixa. Como os furos de suporte da tampa
foram feitos maiores, foi preciso ajustar o eixo da engrenagem com o eixo do potenciômetro.
Para fixar a caixa na bicicleta, foi soldado um suporte de escapamento automotivo, e o aperto
feito no garfo, onde ficam os atuadores. Como definido no projeto, o cabo de marcha enrola
no eixo, para fixar o cabo, o eixo foi perfurado e uma porca foi soldada na caixa para segurar
a proteção do cabo. A Figura 29 apresenta o a conexão do atuado com o cabo de marchas.
Figura 29 Cabo
4.2 SOFTWARE
4.2.1 Principal
O código principal inicia com a inclusão das bibliotecas e definições de alguns valores
de configuração, sendo que a maior parte das definições, indicam para que utilizar cada porta
do Arduino. Outras permitem configurar o sistema para outras bicicletas, informando a
quantidade de marchas, quantas marchas podem ser trocadas por vez, entre outras
configurações que estão fixas, a cadência almejada, a alteração mínima de cadência necessária
para realizar a troca e o valor da maior discrepância.
59
Logo a seguir as constantes e variáveis globais foram declaradas. Uma matriz de
valores lógicos constantes foi definida com as combinações possíveis das marchas sem
cruzamento, na matriz, cada linha indica uma coroa no conjunto da frente e cada coluna uma
coroa no conjunto de trás.
É nesse momento que a matriz com os resultados da Equação 5, calculo das relações, é
declarada, seguida dos vetores que guardam o valor da leitura do potenciômetro em cada
marcha, sendo que a posição 0 é a coroa interna e as demais são as subsequentes. Para as
coroas de trás, dois vetores foram declarados, um para indicar se a posição da marcha está
subindo e outro para indicar quando está descendo, pois há uma variação considerável nos
valores, dificultando a utilização de apenas um vetor.
Ainda nas declarações globais, a variável cadencia tem uma característica que a
diferencia das demais, ela tem a propriedade volatile (volátil), dessa forma ela pode ter seu
valor alterado por um trecho de código ativado pelo controle de interrupções.
No procedimento setup, executado ao iniciar programa, a porta onde o reed switch foi
ligado é configurada como INPUT_PULLUP, essa configuração permite o controle de entrada
pela porta, e habilita o resistor interno do Arduino que liga a porta aos 5V, esse tipo de
ligação é chamado de pull up (levantar). A configuração de pull up resolveu o problema com
eletricidade estática.
A função responsável pela leitura da cadência foi ligada ao controle de interrupções da
porta onde o sensor foi conectado e configurado para disparar quando houver uma queda de
tensão. Finalizando as tarefas do procedimento setup.
No procedimento loop, executado repetidamente, uma variável estática iniciada em 0
guarda o valor da última cadência calculada, esse valor é comparado com a cadência atual, no
caso da diferença ser maior que o limite definido no inicio do programa ou no caso do sistema
ainda estar em busca da melhor marcha, o sistema inicia o cálculo da melhor marcha para a
cadência atual e aciona os atuadores.
Quando os dois atuadores param em suas novas posições, o cálculo da melhor marcha
é refeito, para ter controle se o sistema já chegou à melhor marcha ou não. Se a melhor
marcha não foi alcançada, na próxima execução do loop a troca continua.
60
A função responsável pela atualização da cadência é executada apenas pelo controle
de interrupções, sendo assim, a cadência só altera com as coroas em movimento e o cálculo de
marchas só irá retornar um novo posicionamento com uma nova cadência. Essa lógica garante
que um ciclo de trocas de marcha só inicia com coroas em movimento, mas não garante que
pare a troca no caso das coroas pararem após um ciclo iniciado. Um ciclo de trocas de marcha
inicia com a detecção de uma marcha inadequada, tem uma ou mais trocas sucessivas e
termina com a primeira detecção de marcha adequada.
Três bibliotecas foram produzidas para o projeto das quais apenas duas são utilizadas
no programa, a fim de abstrair o controle dos descarrilhadores. A biblioteca descartada era
responsável pelo controle de motores de passo, pois a biblioteca padrão do Arduino não
atendia satisfatoriamente a necessidade do projeto. Ela foi descartada porque os motores de
passo foram substituídos pelos motores de corrente contínua, então foi criado a biblioteca
L298Motor.
4.2.2 L298Motor
A biblioteca L298Motor é responsável pelo controle de motores de corrente contínua
através de um circuito de ponte H. Ela é orientada a objeto e sua principal classe é a
L298Motor.
Os objetos da classe L298Motor recebem dois valores do tipo short em seu construtor,
esses valores indicam os pinos de controle do motor. Para o correto funcionamento da
biblioteca, os pinos de controle devem ser suporte a modulação por largura de pulso, pois é
dessa forma que é controlada a velocidade do motor.
Um objeto dessa classe possui métodos para ligar o motor, desligar o motor e escolher
a velocidade. Esses métodos são chamados de start, stop e setSpeed respectivamente. O
único método que recebe parâmetros é o setSpeed, ele aguarda um valor do tipo short,
valor este que deve variar entre -255 e 255. Quando o valor é zero o motor fica desligado e
quando o valor se afasta de zero a velocidade aumenta, no caso do valor estar abaixo de zero,
o motor gira no sentido inverso. A biblioteca possui também um método que retorna um valor
lógico indicando se o motor está ligado ou não, isRunning, e um método para indicar a
velocidade do motor chamado getSpeed.
61
4.2.3 Trocador
Assim como a L298Motor, a biblioteca Trocador também é orientada a objeto. Sua
classe principal é a Trocador e faz uso da L298Motor. A função dessa classe é abstrair parte
do controle dos descarrilhadores controlando um motor e um potenciômetro.
O objeto da classe Trocador controla o motor tentando deixar a leitura do
potenciômetro no valor desejado, semelhante a um servo-motor. Em seu construtor, recebe o
motor a ser gerenciado, uma lista de posições em que o potenciômetro fica costumeiramente,
o tamanho dessa lista (o tamanho precisa ser passado porque após entrar na função o tamanho
não pode mais ser calculado), a velocidade que deve ser aplicada ao motor, um valor de folga
das rotações (posição extra em cada movimento) e o pino onde está ligado o potenciômetro.
As duas funções mais usadas são a setPosition que indica para qual das posições
predefinidas o motor deve girar recebendo essa posição por parâmetro e a
updatePosition que não recebe parâmetro, mas é de suma importância, pois é
responsável por ligar e desligar o motor, além de controles internos. Posteriormente, um
método para atualizar a lista de posições foi adicionado.
Há outros métodos que auxiliam o controle, tais como o isShifting para indicar se
o trocador está em movimento, o near para estimar a posição atual e a setPoints para
redefinir as posições costumeiras. Uma definição existe para desconsiderar oscilações na
leitura do potenciômetro ela é chamada de OSCILLATION. Essa biblioteca foi utilizada para
mover o descarrilhador até o ponto correto de cada marcha de forma simples. Basta passar um
vetor pré-definido com a posição das coroas e quando precisar mudar a marcha, passar o
número da posição da coroa no vetor.
4.3 CONTRATEMPOS
Durante o desenvolvimento do projeto algumas dificuldades se destacaram. Nesta
seção os principais contratempos encontrados.
Logo no início do desenvolvimento, a necessidade de saber a posição dos
descarrilhadores ao iniciar o sistema foi percebida. Com ajuda de um potenciômetro
multivoltas e uma porta analógica, foi possível determinar a posição em que se encontrava as
engrenagens do atuador a qualquer momento, inclusive na inicialização do sistema. Nesse
62
ponto o motor de passo pode ser substituído por um motor DC, já que o principal motivo para
usar um motor de passo era a precisão.
Durante os testes dos cálculos de cadência, valores extremamente discrepantes
apareciam aleatoriamente. Leituras errôneas provenientes do atrito das palhetas em momentos
pré-fechamento e pós-fechamento causavam intervalos entre interrupções extremamente
curtos, que ao serem processados resultavam em cadências acima de duzentas pedaladas por
minuto, quando claramente estava com uma cadência inferior.
Para corrigir esse intervalo entre leituras, um capacitor foi colocado em paralelo com o
sensor, o que reduziu a incidência do problema, mas apenas com uma alteração no software o
problema deixou de aparecer. Essa alteração simplesmente ignora leituras que não foram
feitas dentro de um limite de tempo aceitável.
Durante os testes de motores, o primeiro motor (DC), que até então se apresentava
como a melhor opção à utilização no projeto, ao travar desligava todo o sistema. Motores
menores foram testados na ponte H. O motor da impressora da HP Deskjet da série 600 teve
um excelente comportamento, com consumo dentro dos limites da ponte H e bateria. No
entanto, a força do motor só foi o suficiente para mover o atuador quando alimentado com
20V. O aumento da tensão foi uma alternativa a rebobinar o motor.
O código precisou ser depurado durante a programação, isso foi feito usando a porta
serial do Arduino. Quando a bicicleta precisava estar em movimento, devido a
impossibilidade de carregar o notebook junto, buscou-se outra alternativa. Uma tela de celular
Nokia modelo 5110 foi ligada ao Arduino e uma biblioteca pronta (LCD5110_Basic) foi
utilizada. Essa possui comandos semelhantes a serial, por isso sua escolha.
Várias vezes, para reparos ou estudos, o potenciômetro teve que ser removido do
atuador. Isso não foi um grande problema, mas alinhar o eixo do potenciômetro com o eixo da
engrenagem é uma tarefa um tanto delicada. Isso aconteceu quando os cabos de marcha foram
trocados, quando o descarrilhador traseiro foi trocado, entre outras ocasiões. E após cada
instalação, todas as configurações de posicionamento precisavam ser revisadas e ajustadas,
indicando qual seria a nova posição de cada marcha. Então essa situação foi evitada o máximo
possível.
63
Durante os testes do atuador, o motor não girava para um lado, mesmo com toda a
lógica aparentemente correta. Muitos testes foram feitos, e muito tempo foi gasto reestudando
a lógica utilizada, e após várias tentativas, o problema foi corrigido trocando o nome de duas
definições, PINA e PINB para PIN_A e PIN_B, respectivamente. As definições são usadas
pelas bibliotecas que são incluídas automaticamente, mas o ambiente de desenvolvimento não
acusou erro algum e o programa era carregado para a placa normalmente.
A ideia inicial era manter os trocadores manuais, acrescentando mais dois cabos para
troca automática. Isto estava tomando muito tempo, sem resultados positivos. A melhor
tentativa foi ligar com um parafuso perfurado, mas todos os parafusos usados quebravam ao
apertar e se não apertasse os cabos escapavam. Uma peça para união de cabos foi procurada,
mas sem encontrar ela para cabos dessa espessura, as manoplas originais foram removidas
para continuar com a montagem. Ligando o cabo original diretamente no atuador, a união de
cabos não foi mais um problema.
A mola que puxa o descarrilhador traseiro não estava mais forte o suficiente para
puxar o cabo no sentido inverso. O descarrilhador traseiro foi trocado por um novo e o
problema aparentemente estava resolvido, no entanto, ainda demorava a puxar, pois o cabo
estava ficando com o formado arredondado do eixo e curvo dentro dos canais curtos. Uma
possível solução seria aumentar a área livre do cabo ou enrola-lo em um segundo eixo, maior,
mas sem redução, e também usar cabos mais longos, infelizmente não houve mais tempo para
fazer essas melhorias. Ao descer marchas o descarrilhador pode demorar a acompanhar o
sistema, com isso o sistema pede para descer mais marchas até que a marcha caia, então a
cadência sofre alteração. Em seguida o sistema recalcula a nova marcha, que deve estar
acima, e então o descarrilhador toma sua posição. Até o momento esse comportamento não
está causando danos ao resultado final, mas uma melhoria no acoplamento é uma
possibilidade de trabalho futuro.
Um problema realmente grave foi devido a um pino configurado errado nas definições
iniciais do programa, os valores já estavam definidos corretamente, mas em uma remontagem
os cabos do motor dos atuadores foram trocados. Os dois atuadores foram danificados. O
potenciômetro estorou, consequentemente o motor perdeu o controle e antes que o sistema
pudesse ser desligado, o eixo do outro atuador cedeu o encaixe, pois o cabo chegou ao limite e
o motor estava em movimento. Para acompanhar o cronograma do projeto, o horário dedicado
ao mesmo teve que ser aumentado. Um novo potenciômetro foi instalado em um atuador e o
64
reparo do eixo inicialmente foi feito com cola, mas ele cedeu novamente. Uma tentativa foi
feita com estanho, que embora não seja muito adequado, tem se mostrado eficiente até o
momento.
4.4 TESTES
Os testes foram feitos à medida que o projeto era desenvolvido, com exceção do teste
final, com o dispositivo completamente montado. O teste final foi andar com a bicicleta em
terrenos planos, subidas, decidas e sem pedalar. Alguns ajustes nas definições iniciais do
programa foram feitos para evitar a troca excessiva, mas nenhuma grande alteração na
programação se fez necessária. A troca das marchas é suave, e se mantido a força no pedivela,
a cadência é mantida próxima a 60 pedaladas por minuto. No caso de pedaladas lentas, a
marcha reduz até o mínimo, já em pedaladas rápidas, a marcha sobe até o máximo, onde se
estabiliza, nesses casos a cadência varia, como já era esperado.
Motor
O funcionamento dos motores de passo e dos motores de corrente contínua foram
testados em conjunto com o Arduino. Para cada um deles, uma biblioteca foi criada, placas
intermediárias foram utilizadas para controle dos motores, e também foram testadas no que
coube ao projeto.
Atuador
Como as engrenagens foram reaproveitadas, o funcionamento foi testado
separadamente. Após verificar seu funcionamento, testes brutos foram feitos, entre eles, girar
uma volta para um lado, meia volta para o outro, parar e manter-se estável quando desligado.
A abstração dos comandos do atuador foi feita com uma biblioteca desenvolvida durante o
projeto. Nesse ponto, os testes incluíam basicamente mover o atuador até o ponto
determinado, acompanhando o status do atuador (parado ou em movimento).
Sensor
Os testes de cadência foram relativamente simples, com ajuda de um metrônomo, a
cadência foi mantida em velocidade fixa, e o retorno deveria ser o valor mostrado no
metrônomo.
65
Troca
As trocas de marcha foram testadas uma a uma, alternando a primeira com a última e
sequencialmente, tanto para aumentar quanto reduzir. Processo lento e com muitos ajustes na
definição de posicionamento de cada coroa para o atuador.
66
5 CONCLUSÃO
O projeto pretende melhorar o sistema de câmbio já existente em uma bicicleta,
efetuando a troca das marchas automaticamente e visando manter a cadência estável. Para
isso, foi necesário estudar o funcionamento de um câmbio comum, os recursos que o Arduino
disponibiliza e de que forma pode ser controlado o sistema de câmbio.
O estudo do câmbio comum se deu principalmente de duas formas, leitura de artigos e
sites especializados, e análise do funcionamento do câmbio em operação e sua reação à
interação do ciclista. A análise prática do funcionamento foi muito importante, pois permitiu
ter uma noção da complexidade do mecanismo de troca de marchas. Quanto as recursos
disponibilizados pelo Arduino, o site oficial, embora não esteja disponível em português, é
bastante esclarecedor e organizado.
A automação poderia funcionar de diversas formas, foi escolhida a utilização do
Arduino pelo crescimento de sua popularidade no meio acadêmico e pela curiosidade do autor
pela plataforma. A forma de funcionamento dos motores de passo e a possibilidade de utilizar
vários tipos de reduções mecânicas com ele, e a possibilidade de definir a posição de parada o
tornaram interessante para aplicação no projeto. A leitura da cadência foi feita usando um
sensor magnético. Essa escolha se deu pela compatibilidade do Arduino com esse tipo de
sensor, e porque essa ideia já foi vista em funcionamento pelo autor em equipamentos de
ginástica.
Após a montagem do protótipo, alguns comportamentos característicos do sistema
podem ser observados. Principalmente pela existência de uma tolerância utilizada para evitar
trocas de marchas excessivas, há um aumento na variação da cadência. Como pode ser
constatado pela Figura 30, um ciclista pode estar a 10 Km/H, por exemplo, em combinações
de marchas diferentes. Observa-se que na combinação 0-0 o valor mínimo é zero, parado, e na
combinação oposta não há um valor máximo, apenas para fim ilustrativo, o valor máximo foi
definido como 30 Km/H.
67
Figura 30 Gráfico de Velocidade e Marchas
Durante os testes com o protótipo, ao manter a cadência próxima a 60 pedaladas por
minuto em cada uma das marchas, obteve-se o resultado apresentado pela Tabela 6, os valores
estão dentro do intervalo esperado, como pode ser consultado na Figura 30.
Tabela 6 Velocidade nos Testes
Dianteira Traseira Velocidade(Km/H)
0 0 7
0 1 8,2
0 2 9,4
1 0 9,5
1 1 11
1 2 12,7
1 3 14,8
1 4 16,7
1 5 19
2 3 18,5
2 4 21
2 5 24
Apesar dos contratempos, o projeto pôde ser desenvolvido a ponto de ter um objeto
final satisfatório e documentado. Os testes mostram que o sistema implementado está
trocando as marchas corretamente, mantendo a cadência estável. Soluções similares foram
encontradas, e várias ideias para trabalhos futuros ainda surgem.
68
5.1 TRABALHOS FUTUROS
Usar LEDs indicativos
Um conjunto de LEDs pode ser utilizados para fornecer informações do estado do
equipamento (ligado ou desligado) e indicar a necessidade de recarga das baterias.
Adicionar visor e sensores
Já foi utilizada para depuração uma tela de cristal líquido. Com uma tela maior e
alguns sensores adicionais, o sistema pode informar muitos dados para o ciclista, tais como a
velocidade atual, média e estimada, as marchas atuais, a cadência atual, média e máxima, o
tempo pedalando, a distância percorrida, os batimentos cardíacos, o consumo de calorias
estimado, status da bateria e outros.
Programa de navegação
Usar um visor sensível ao toque ou botões permite ao ciclista configurar o sistema em
uma nova bicicleta, bem como suas próprias preferências, e possibilita a troca das marchas de
forma digital ou automática.
Integração com celular
Usando um dispositivo bluetooth, o sistema pode ser integrado com o celular do
ciclista, os dados mostrados no visor (da sessão anterior) podem ser gravados em um banco de
dados, analisados, e geradas estatísticas do desenvolvimento de um ciclista iniciante, que ao
longo dos anos, podem ser monitoradas.
Rede social
Com dados armazenados no celular, uma integração com redes sociais pode ser feita,
informando quais amigos estão treinando, fazer comparações, mostrar gráficos, publicações
de desempenho entre outros.
GPS
Usando o GPS do celular do ciclista, a troca de marchas pode ser aprimorada, o
sistema poderia anteceder uma troca de marchas antes de uma ladeira por exemplo. Uma
mensagem pode aparecer no visor quando um amigo está pedalando por perto, se assim o
cliclista permitir.
69
Caso for usado GPS de um celular conectado a internet, um sistema de navegação
GPS pode ser carregado a partir dos serviços do google e exibidos no visor.
Hardware
O Hardware pode receber várias melhorias, usando peças de outras formas e tamanhos
ele pode ser reduzido sem perder nenhuma funcionalidade. E a aparência do sistema melhorar.
Com adição de sensores, a capacidade de fornecimento de dados ao ciclista pode ser
ampliada. Os descarrilhadores podem ser controlados sem fios ou cabos, ou todos os controles
podem ser centralizados em apenas uma peça.
Calcular uma redução adequada pode reduzir consumo de energia elétrica e um motor
menor pode ser utilizado. Uma proteção pode evitar problemas com chuva.
70
REFERÊNCIAS
ABBISS ,CHRIS R., PEIFFER, JEREMIAH J., LAURSEN, PAUL B. Optimal cadence
selection during cycling. International SportMed Journal, vol. 10, no.1, 2009.
ALLABOUTCIRCUITS, Potentiometer as a voltage divider, 2012. Disponível em:
<http://www.allaboutcircuits.com/vol_6/chpt_3/6.html> Acesso em: 26 fev. 2014.
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GLOSSÁRIO
Descarrilhador Peça do câmbio responsável pelo deslocamento lateral da corrente.
Pedivela Alavanca ligada ao pedal da bicicleta.
Pinhão Engrenagem traseira que fica entre a corrente e o eixo da roda
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