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desenvolvimento de um robô móvel autônomo para os
DESENVOLVIMENTO DE UM ROBÔ MÓVEL AUTÔNOMO PARA
OS ENSINOS TÉCNICO E SUPERIOR
Leonardo Azevedo Scardua – [email protected]
Marco Antonio de Souza Leite Cuadros – [email protected]
Instituto Federal do Espírito Santo – Campus Serra, Coordenadoria de Automação Industrial
Rodovia ES-01 – Km 6,5 – Manguinhos
29164-231 – Serra - ES
Resumo: O PET, plataforma de educação tecnológica, é um robô móvel concebido com o
objetivo de difundir a robótica como ferramenta de ensino e pesquisa nos cursos técnicos e
superiores das áreas de eletrônica, computação, controle e automação. No estágio atual de
desenvolvimento, o PET conta com dois servomotores, quatro sensores de luz visível e dois
sensores de infravermelho. Esses dispositivos são acionados por um micro controlador do
tipo PIC, que pode se comunicar com um computador PC. Com esses recursos, é possível
fazer o robô evitar obstáculos, avaliar a distância em relação a um obstáculo, evitar quedas e
seguir linhas desenhadas no chão. Embora haja no mercado robôs móveis de reconhecido
valor educacional, justifica-se o desenvolvimento do PET com base no argumento de que o
processo de ensino e aprendizado de disciplinas como eletrônica e programação de
computadores pode ter resultados melhores, se o aluno puder praticar em um robô móvel os
conceitos aprendidos em sala de aula. Nesse artigo, descreve-se a arquitetura do PET e, por
meio de aplicações práticas, são mostradas suas funcionalidades.
Palavras-chave: Robô móvel autônomo, Robótica educacional, Inovação tecnológica.
1
INTRODUÇÃO
O termo tecnologia tem origem na junção de duas palavras gregas techné, saber fazer, e
logus, razão. Assim, o significado de tecnologia é saber fazer (Rodrigues, 2001). Com o
passar do tempo, a sociedade humana parece depender cada vez mais da tecnologia e se
presume que mais ciência produz mais tecnologia que gera mais riqueza e, consequentemente,
mais bem-estar social (Silveira, 2009). Na história recente, os países que promoveram rápido
desenvolvimento tecnológico foram aqueles que investiram em sistemas educacionais
voltados para a inovação tecnológica. Países como o Japão e a Coréia do Sul iniciaram a
modernização de suas economias, copiando produtos que haviam sido criados na Europa e
nos Estados Unidos. Com o tempo, acabaram por criar processos produtivos e tecnologias
próprios, que hoje são imitados em vários países. Hoje, assistimos ao surpreendente
desenvolvimento tecnológico chinês, que segue caminho parecido ao trilhado por japoneses e
sul-coreanos. Talvez possamos fazer o mesmo, em especial na área de produtos educacionais
voltados para o ensino de matérias científicas e tecnológicas.
A robótica é área de conhecimento que tem potencial para impactar significativamente no
ensino da engenharia e da ciência em todos os níveis (Matarc, 2004). Diferentes trabalhos de
robótica foram desenvolvidos no Brasil com o objetivo de estimular o ensino da tecnologia
(Mehl et al.,2001; Silva et al.,2006; Passold, 2006). Neste trabalho, são descritas as principais
características do PET, um robô móvel construído com o objetivo de facilitar o ensino de
disciplinas como eletrônica e controle para alunos de cursos técnicos e de engenharia.
2
A ARQUITETURA DO PET
A arquitetura atual do PET, embora simples, comporta todos os elementos que
conformam um robô, que são sensores, processador e atuadores. O PET dispõe de três pares
de sensores. Dois pares são formados por sensores de luminosidade e um par é formado por
sensores de infravermelho. Os sensores são conectados aos pinos do microcontrolador (PIC
16F877), permitindo que sejam programadas repostas em função dos sinais elétricos que eles
emitem. Essas respostas resultam na conjugação de sequências de acionamentos dos três tipos
de acionadores que atualmente tem o PET, estes acionadores podem produzir movimentos,
sons e luzes.
Sensores de Luminosidade
Servomotor
Sensores
de
Infravermelho
Sensores
de
Luminosidade
para
seguir
linha traçada
Servomotor
Figura 1 - Plataforma de Educação Tecnológica – PET.
2.1 Sensores de luminosidade
Cada sensor de luz é essencialmente um circuito RC, como se mostra na Figura 2, no qual
o resistor é um LDR (Light Dependent Resistor - Resistor Dependente de luz). O sensor mede
a intensidade do espectro visível que incide sobre ele. Quanto menor a quantidade de luz que
incide sobre o circuito, maior a resistência do LDR, o que aumenta o tempo de descarga do
capacitor. Quanto maior a quantidade de luz, menor a resistência do LDR e,
conseqüentemente, menor o tempo de descarga do capacitor.
PIC (RB0)
LDR
C1
Figura 2 - Sensor de luminosidade.
Conforme mostra a Figura 2, o circuito RC é ligado a um determinado pino do
microcontrolador. O PET infere o nível de luminosidade do ambiente, relacionando-o com o
tempo de descarga do capacitor, por meio do procedimento descrito a seguir.
Inicialmente, o programa que governa o comportamento do PET programa o pino como
saída digital e o aciona, colocando-o em nível lógico 1, por 10ms, tempo suficiente para que o
capacitor do circuito seja carregado. Após esse tempo, o programa de controle do PET
programa esse pino para o modo entrada e passa a ler continuamente o valor por ele
apresentado. Quando a leitura passa a indicar nível lógico zero, o PET entende que o capacitor
se descarregou. O tempo gasto entre a programação do pino como entrada e a leitura de nível
lógico zero é o tempo de descarga do capacitor. Esse valor é usado como medida do nível de
luminosidade do ambiente.
Outros dois sensores de luminosidade instalados na parte inferior do PET (Figura 1)
medem a reflexão da luz gerada por um led na superfície por onde passa o PET, a informação
de luminosidade desses sensores permite que o robô tenha funcionalidades como seguir linhas
traçadas no chão ou evitar cair da borda de uma mesa.
2.2 Sensores de infravermelho
Cada sensor de infravermelho é composto por um circuito emissor e um circuito receptor
(Figura 3), que devem trabalhar sequencialmente.
Emissor
Receptor
VCC
R1
TSOP-1738
L1
37 KHz
PIC (RB2)
R2
Q1
VCC
PIC (RB1)
C2
Figura 3 – Sensor de infravermelho.
Para verificar se há um obstáculo à frente do sensor, o PET emite uma sequência de
pulsos de ondas quadradas por um período de 500us e, após esse tempo, lê a saída do circuito
receptor. Se essa saída estiver ativa, o programa entende que há obstáculo à frente. Caso
contrário, o programa conclui que não há obstáculo à frente. Vale ressaltar que, para que o
conjunto de sensores de infravermelho possa funcionar adequadamente, eles têm de ser
acionados em momentos diferentes, de modo que a emissão de um não afete a recepção do
outro, o que poderia gerar falsas leituras.
No PET, os sensores de infravermelho podem ser usados para medir a distância do robô
em relação a um obstáculo. O processo de detecção de distância é baseado no fato de que a
sensibilidade dos receptores de infravermelho usados no PET varia significativamente com a
frequência do sinal recebido, como representado na Figura 4. Segue descrição do algoritmo
que efetua medida de distância.
a) Emite sinal em frequência para a qual o receptor tem baixa sensibilidade;
b) Se houver retorno, conclui que o alvo está próximo;
c) Se não houver retorno
i. Emite sinal em frequência para a qual o receptor tem sensibilidade média;
ii. Se houver retorno, conclui que o alvo está à distância média;
iii. Se não houver retorno, emite sinal em frequência para a qual o receptor tem
sensibilidade alta;
• Se houver retorno, conclui que o alvo está à distância grande;
• Se não houver retorno, conclui que não há alvo.
Figura 4 - Sensibilidade dos receptores infravermelhos.
2.3 Os atuadores
Os principais atuadores do PET são dois servomotores do tipo utilizado em aeromodelos,
modificados para permitir rotação contínua. Esses motores são controlados por sinais PWM
geradas pelo microcontrolador.
Figura 5 - Ligação de servomotor ao PIC.
O PET é dotado de duas rodas de tração fixas, ligadas diretamente aos eixos dos
servomotores, e de uma roda fixa, sem tração, na parte traseira do robô. Desse modo, para se
mover, o robô usa tração diferencial. No esquema de tração diferencial, para que o robô se
mova em linha reta, as duas rodas têm de girar no mesmo sentido. Para que o robô realize
uma curva, uma das rodas gira em um sentido e a outra gira no sentido oposto.
Os outros atuadores são, no momento, quatro LEDs e um buzzer, que podem ser
acionados para indicar a ocorrência de eventos ou para indicar o estado de funcionamento do
robô.
2.4 O programa de controle do PET
O atual programa de controle do PET funciona de acordo com o seguinte ciclo:
• Na Iniciação, são definidos parâmetros de funcionamento do microcontrolador.
• Na Definição do Modo de Funcionamento, o PET aguarda que o usuário indique em
qual dos modos de funcionamento o robô devera operar, isto é feito por meio dos
sensores de luminosidade montados na parte superior do robô. Atualmente, os modos
de operação programados no PET são perseguir alvo móvel, navegação autômata e
seguir linha traçada no solo.
• No Loop principal, é feita a leitura dos sensores, são tratados os dados dos sensores e,
como resultado das decisões tomadas durante o tratamento dos dados dos sensores, é
feito o acionamento dos atuadores.
Iniciação
Definição do Modo de Funcionamento
Loop principal
Leitura dos sensores
Processamento dos dados dos sensores
Atuação dos servomotores, do buzzer e
dos LEDs de indicação.
Figura 6 - Ciclo de controle.
Descrição do modo de funcionamento Perseguidor Alvo Móvel
Nesse modo de funcionamento, o PET é capaz de perseguir um alvo móvel que se
desloca à frente dele, desde que o alvo tenha largura suficiente para ser detectado pelos dois
sensores de infravermelho que são montados na parte frontal do PET, que não se desloque à
velocidade superior à que o PET pode alcançar e que não acelere mais rapidamente que o PET
pode acelerar. Segue a descrição do algoritmo que corresponde a esse modo de
funcionamento.
Faça para sempre
• Se não houver detecção em nenhum dos dois sensores:
o Aciona o buzzer, para indicar que não está detectando o alvo;
• Se o alvo é detectado pelos dois sensores e está ganhando distância em relação ao
PET:
o Acende os dois LEDs vermelhos;
o Avança em linha reta, acelerando;
• Se o alvo é detectado pelos dois sensores e está perdendo distância em relação ao PET:
o Acende os dois LEDs vermelhos;
o Avança em linha reta, desacelerando;
• Se o alvo é detectado pelos dois sensores e está à distância menor que a distância de
segurança em relação ao PET:
o Acende os dois LEDs vermelhos;
o Retrocede em linha reta, mantendo velocidade constante;
• Se o alvo é detectado pelos dois sensores e está dentro da distância de segurança em
relação ao PET;
o Acende os dois LEDs vermelhos;
o Não se movimenta;
• Se o alvo é detectado somente pelo sensor da direita:
o Acende o LED vermelho direito;
o Gira à direita;
• Se o alvo é detectado somente pelo sensor da esquerda:
o Acende o LED vermelho esquerdo;
o Gira à esquerda;
O algoritmo acima recebe como um de seus parâmetros a indicação de se deve ou não
verificar a presença de bordas à frente. A detecção de bordas é feita pelos dois sensores de luz
montados na parte inferior do PET. Assim, antes de se mover à frente, o PET pode ou não
verificar se há risco de queda para ele. Se houver borda à direita do robô, ele recua e gira à
direita, antes de tentar seguir novamente em frente. Se houver borda à esquerda do robô, ele
recua e gira à esquerda, antes de tentar seguir novamente em frente.
Sempre que é instruído a detectar a presença de bordas, o PET calibra seus sensores de
queda (os sensores de luz montados na parte inferior do robô), a fim de poder operar em
ambientes com luminosidades diferentes. A calibração é feita segundo o seguinte algoritmo:
1. Quando o robô é ligado:
a. Efetua a leitura do tempo de descarga do circuito RC do sensor de queda
esquerdo;
b. Armazena o valor lido em uma variável;
c. Efetua a leitura do tempo de descarga do circuito RC do sensor de queda
direito;
d. Armazena o valor lido em uma variável;
2. Durante toda a operação do PET:
a. O algoritmo que verifica a presença de borda só vai concluir que um dos
sensores indicou a presença de borda se o tempo de descarga do capacitor
daquele sensor aumentar mais que certa percentagem em relação ao tempo
armazenado na variável correspondente àquele sensor.
Se, ao longo da operação do robô, a luminosidade do ambiente variar muito em relação à
luminosidade que havia no momento em que o PET foi ligado, pode ser necessário reiniciar o
PET, de modo que ele faça nova calibração dos sensores de queda.
Descrição do modo de funcionamento Navegar Autonomamente
Nesse modo de funcionamento, o PET movimenta-se à frente, desviando de obstáculos e
evitando cair em bordas, como as que ocorrem, por exemplo, nos degraus de uma escada.
Assim, o PET é capaz de vagar de forma segura por um ambiente desconhecido.
Descrição do modo de funcionamento Seguir Linha
Nesse modo de funcionamento, o PET usa os sensores de queda para seguir linhas
escuras desenhadas no chão. Se um sensor de queda indicar que houve redução brusca na
quantidade de luz que recebe, conclui-se que aquele sensor está sobre a linha escura. Desse
modo, é necessário manobrar até que nenhum dos sensores indique detecção de partes escuras
no chão. Enquanto nenhum dos sensores indica detecção, o PET se move para frente.
3
APLICAÇÕES
Essa seção descreve algumas aplicações do PET no ensino. Dessas, duas ainda não foram
efetivadas e uma já foi realizada.
3.1 Simulação de navegação em comboio
A navegação em comboio é uma das principais alternativas hoje pesquisadas para a
resolução de alguns problemas associados ao excesso de veículos nas autoestradas. Viajando
em comboio, os veículos podem manter velocidade constante, o que diminui o consumo de
combustível e a emissão de poluentes. Além disso, a viagem em comboio reduz o número de
ultrapassagens, grande causa de acidentes.
Com o PET funcionando no modo de perseguição de alvo, é possível fazer que ele siga
outro objeto móvel, que pode ser outro PET, simulando, assim, a operação em comboio. Os
estudantes podem abordar o problema sob diversas perspectivas. Por exemplo, podem
construir novos sensores de infravermelho ou estudar a detecção de alvos móveis por sensores
de ultrassom. Basta construir os sensores e programar o PET para tratar seus sinais. Outra
abordagem possível pode ser o estudo da economia de combustível resultante da navegação
em comboio, basta que os estudantes introduzam no PET um simples circuito de medição de
nível de bateria e que façam simulação da energia gasta para que um robô percorra um
circuito andando sozinho e depois andando em comboio.
3.2 Simulação de entrega automatizada em fábricas e em hospitais
O PET pode emular, por meio do funcionamento no modo de seguir linhas, a operação de
robôs que são hoje usados para transportar materiais, seguindo trajetórias fixas, em ambientes
variados, como hospitais, armazéns e fábricas.
Para os alunos, as oportunidades de aprendizado são muitas. Eles podem construir um
ambiente onde linhas desenhadas no chão servem de guia para o movimento do robô e no
qual, aleatoriamente, surjam obstáculos no caminho do robô. Nesse ambiente, os alunos
podem, por exemplo, programar o robô para percorrer o circuito desenhado, desviando de
obstáculos e fazendo paradas em pontos marcados no chão, simulando assim, entregas
programadas de material. Para executar essa tarefa, os alunos podem construir encoders e
outros sensores e integrá-los ao PET.
3.3 Uso do PET por pessoas sem conhecimento de programação de computadores
Uma interessante experiência já realizada com o PET foi a construção de uma interface
gráfica para programação do robô, que tinha como objetivo permitir que pessoas sem nenhum
conhecimento de computação ou de robótica pudessem programá-lo.
A interface gráfica é executada em um PC, ligado ao PET por meio de um cabo de
comunicação serial. Nessa interface, praticamente autoexplicativa, o usuário pode escrever
um programa (mostrado na caixa “Comandos a serem programados”) que faz uso de várias
funções pré-programadas, tais como detectar obstáculos, avançar, girar à direita, etc. Uma vez
montado o programa, basta que o usuário pressione o botão “Programar”, para que o
programa seja gravado automaticamente, sem necessidade de gravadores de PIC, na memória
do microcontrolador. Uma vez gravado o programa, o PET passa a executar automaticamente
o que o usuário programou.
Figura 7 - Interface gráfica de programação do PET.
A demonstração da interface teve lugar no ISA Show 2010, realizado em Vitória, ES.
Alunos do curso Técnico de Automação do Ifes Serra construíram uma base de isopor, na
qual havia uma linha desenhada e obstáculos de isopor. Eles elaboraram programas usando a
interface gráfica e demonstraram o comportamento do robô para os visitantes da feira, pessoas
das mais variadas formações educacionais e idades. Feita a demonstração, os alunos
convidavam os visitantes a tentar programar o PET e explicavam o funcionamento dos
circuitos eletrônicos do robô.
Figura 8 - Alunos utilizando o PET no ISA Show 2010.
4
TRABALHOS FUTUROS
Os modos atuais de funcionamento do PET são somente algumas das possibilidades de
operação desse robô. No momento, há trabalhos no sentido de incorporar um rádio digital ao
PET, de modo que seja possível estabelecer troca constante de informações entre o robô e um
computador, aumentando a capacidade de tomada de decisão e de armazenamento de
informações do PET. Com isso, tarefas como a navegação autônoma podem ser muito
melhoradas, pois passa a ser possível armazenar mapas do ambiente em um computador, em
vez de tentar fazê-lo na acanhada memória do microcontrolador do robô.
Outra melhoria prevista para o PET é a instalação de um GPS capaz de comunicação
com o microcontrolador, o que dotará o robô de habilidades como seguir trajetórias em
ambiente aberto, no qual não há marcações no chão, e identificar as coordenadas de
determinado obstáculo.
Finalmente, devido à fácil construção do robô, pretende-se reunir grupos de alunos para a
construção de um PET por equipe, para iniciar um concurso interno na instituição.
5
CONCLUSÕES FINAIS
O PET é um robô móvel de construção fácil e barata, que despertou grande interesse não
só de estudantes, mas do público em geral, nas feiras onde foi demonstrado. Apesar de sua
simplicidade, o PET permite que estudantes de diversos níveis de formação possam exercitar
e aprimorar conteúdos ligados à eletrônica, à física e à matemática. Portanto, atende ao
objetivo primordial do projeto, que era a construção de uma plataforma robótica educacional
versátil, mas de baixo custo, para o estudante brasileiro.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Accessible, HandsOn AI and Robotics Education, Palo Alto, CA, Mar 22-24, 2004.
MEHL, Ewaldo. L.; Zani, Anderson C.; Küntze, Jackson; Mognon, Vilson R. O "futebol de
robôs" como ferramenta tecnológica para o ensino de engenharia elétrica e ciência da
computação. COBENGE 2001, Porto Alegre.
PASSOLD, Fernando. Despertando para a Importância das Competições de Robôs.
COBENGE 2006, Passo Fundo.
RODRIGUES, A. M. M. Por uma filosofia da tecnologia. In: Grinspun, M.P.S.Z.(org.).
Educação Tecnológica - Desafios e Pespectivas. São Paulo: Cortez, 2001: 75-129.
SILVA, E. Lazaro; Bispo, Jorge; Leite, Rosangela; Abreu, Tiago; Santos, Uburajara e Cruz,
Vitor. Utilização do estudo de robôs seguidores de linha como estratégia de avaliação na
disciplina controle de processos no curso de engenharia de computação. COBENGE 2006,
Passo Fundo.
SILVEIRA, Rosemar Monteiro Castilho Foggiatto; BAZZO, Walter. Ciência, tecnologia e
suas relações sociais: a percepção de geradores de tecnologia e suas implicações na educação
tecnológica. Ciênc. educ. (Bauru), Bauru, v. 15, n. 3, 2009 . Available from
<http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S151673132009000300014&lng=en&nrm=iso>. access on 16 June 2011.
DEVELOPMENT OF AN AUTONOMOUS MOBILE ROBOT FOR
TECHNICAL AND HIGHER EDUCATION
Abstract: PET, acronym for “Platform for Technological Education”, is a mobile robot
conceived to be a didactical tool for technical and superior courses in the fields of
electronics, computer engineering, control and automation. The PET prototype currently
features two servomotors, four visible light sensors and two infrared sensors. These devices
are controlled by a PIC microcontroller, capable of communicating with a personal
computer. Such resources allow the robot to perform tasks that demand skills such as avoid
obstacles, assess the distance to an obstacle, avoid falling downstairs or follow lines drawn
on the floor. Though there are commercial robots of proved educational value, the
development of PET is justified by the idea that the educational process of subjects such as
electronics and computer programming can greatly benefit from allowing students to have
deep contact with an autonomous mobile robot. In this article, the architecture of PET and a
few applications of the robot in the educational process are described.
Key-words: Autonomous mobile robot, Educational robotics, Technological innovation.
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