DESENVOLVIMENTO DE UM CARRINHO AUTÔNOMO COM ARDUINO PARA O ...

DESENVOLVIMENTO DE UM CARRINHO AUT?NOMO COM ARDUINO PARA O ENSINO DE CINEM?TICA

Northon Farias Iserhardt- 3? ano do Curso T?cnico em Inform?tica Integrado ao Ensino M?dio, Eduardo Franco Zonta1, Henrique Werner Delazeri1, Leonardo de Araujo Lopes1

Patr?cia Nogueira Hubler2, Silvia de Castro Bertagnolli2

1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCA??O CI?NCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO SUL- C?MPUS CANOAS R. Dra. Maria Z?lia Carneiro de Figueiredo, 870 A - Igara III 92412-240 ? Canoas ? RS

2 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCA??O CI?NCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO SUL- C?MPUS CANOAS R. Dra. Maria Z?lia Carneiro de Figueiredo, 870 A - Igara III 92412-240 ? Canoas ? RS

Resumo Um dos conceitos introdut?rios da f?sica ? o de movimento, que aborda as quest?es de dist?ncia, velocidade, tempo e acelera??o. V?rias s?o as solu??es apontadas como did?ticas e pedag?gicas para a explica??o te?rico-pr?tica destes conte?dos, sendo um dos mais promissores o uso da rob?tica. Motivado por este problema, os autores deste trabalho desenvolveram uma solu??o de hardware e software que compreende um ve?culo (dispositivo rob?tico). Este "carrinho" ? capaz de resolver problemas contendo labirintos (desvia de obst?culos) ou ent?o manter-se em curso/caminho pr?determinado (seguidor de linha) e ainda possibilita configurar aspectos relacionados ? velocidade e ? acelera??o. Com o carrinho ser? poss?vel ensinar de forma l?dica algumas leis da f?sica de modo a tornar o aprendizado mais f?cil e o conhecimento mais consolidado, bem como maximizar a compreens?o da cinem?tica, atrav?s dos movimentos uniforme (MU) e uniformemente variado (MUV), que faz parte dos conte?dos introdut?rios da disciplina de f?sica e que s?o abordadas no ensino m?dio.

Palavras Chaves: Rob?tica, Ensino de F?sica, Arduino.

Abstract: One of the introductory concepts of physics is the movement, which approach by the issues of distance, speed, time and acceleration. There are several solutions identified as didactic and pedagogic for the theoretical and practical explanation of these contents being a very promising use to robotics. Motivated by this problem, the authors of this work have developed a hardware and software solution which comprises a vehicle (robotic device). This "small vehicle" is able to solve problems containing labyrinths (bypassing obstacles) or to remain on course/path predetermined (line follower) and also allows you to configure aspects related to the speed and acceleration. With his "small vehicle" the stand you can teach through play some laws of physics in order to make learning easier and more consolidated knowledge and maximized understanding the cinematics, through the uniform movement (MU) and the uniformly varied movement (MUV), which it is part of the introductory content of physics discipline and that are addressed in high school.

Keywords: Robotics, Physics Teaching, Arduino.

1 INTRODU??O

Como ensinar de forma l?dica os conceitos relacionados ? cinem?tica na f?sica? Esse ? um questionamento que norteou o desenvolvimento deste trabalho desde a sua concep??o. Para resolver este problema os autores optaram por utilizar dispositivos rob?ticos que facilitassem a compreens?o de certos conte?dos abordos pela disciplina de f?sica no ensino m?dio. Mas precisamente, o conceito de movimento, e as vari?veis a ele relacionadas como dist?ncia, velocidade, tempo e acelera??o.

O primeiro passo para o seu desenvolvimento compreendeu uma pesquisa bibliogr?fica utilizando diversos sites, f?runs e comunidades de software e hardware livre onde foram encontrados materias de grande import?ncia para o trabalho. De posse destes marteriais encontrados foi poss?vel adquirir conhecimento em rela??o aos dispositivos rob?ticos que se tinha pretens?o de integrar ao rob? para atingir o objetivo principal que ? o ensino de f?sica. Ap?s essa etapa foram determinadas as aplicabilidades da solu??o elaborada.

A proposta do dispositivo ? um carrinho, com o tamanho pr?ximo de um carrinho de controle remoto, que se movimentasse de forma aut?noma, usando sensores de obst?culos, seguidores de linha e que permitissem algum tipo de configura??o com rela??o ? velocidade e ? acelera??o. Com o carrinho ser? poss?vel ensinar de forma l?dica algumas leis da f?sica de modo a tornar o aprendizado mais f?cil e o conhecimento mais consolidado, bem como maximizar a compreens?o da cinem?tica, atrav?s do movimento uniforme (MU) e do movimento uniformemente variado (MUV).

Sabe-se que existem propostas de carrinhos prontos, semelhantes ao proposto por este trabalho. Por?m, a ideia do trabalho ? desenvolver um ve?culo aut?nomo que inicialmente ser? usado para o ensino, mas que futuramente poder? ter outras aplicabilidades, bem como a integra??o de outras funcionalidades.

Uma das caracter?sticas deste carrinho ? que ele foi constru?do utilizando a plataforma Arduino e v?rios sensores que

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permitem desviar de obst?culos, seguir linhas pr?-estalecidas entre outras funcionalidades. Cabe destacar que este trabalho est? vinculado ao projeto de pesquisa RoboLab: implanta??o de um laborat?rio para experimenta??es em rob?tica educacional, que ? desenvolvido no IFRS C?mpus Canoas. O artigo prossegue organizado da seguinte forma: a se??o 2 descreve alguns aspectos te?ricos da plataforma arduino. Na se??o 3 ? descrito o trabalho proposto. A se??o 4 descreve alguns materiais e m?todos utilizados no desenvolvimento do trabalho. Alguns resultados s?o apresentados na se??o 5, e por fim, na se??o 6 s?o descritas algumas conclus?es obtidas at? o momento.

2 PLATAFORMA ARDUINO E ALGUNS COMPONENTES ELETR?NICOS

Arduino ? uma plataforma de prototipagem eletr?nica, criada por Massimo Banzi e David Cuartielles em 2005 na It?lia. ? de uso livre, ou seja, permitem-se adapta??es ou modifica??es na placa e no sotware de seu microcontrolador, de forma espont?nea, trazendo ao desenvolvedor um grande leque de poss?veis controladores para serem criados. Por essa grande funcionalidade, acess?bilidade e facilidade na cria??o de novos controladores, foi ent?o definida a plataforma Arduino como base para a solu??o de hardware. A linguagem utilizada para a programa??o do Arduino ? uma DSL (Domain Specific Language), a qual pode ser considerada uma adapta??o das linguagens de programa??o C e C++ (McRoberts, 2011). Existem para a plataforma Arduino, os shields. Eles s?o placas que podem ser acopladas ao Arduino estendendo as suas capacidades. Existem diferentes shields, cada um com uma fun??o espec?fica, por exemplo, controladores de motores, placas solares, etc.

Figura 1 ? Placa Uno: plataforma arduino.

No caso deste trabalho foram utilizandos o sensor ultrass?nico, o sensor reflexivo e o controlador de motor M?dulo L298N, o qual permite fornecer energia para os motores que controlam as rodas do carrinho, e que tamb?m podem alimentar a placa Arduino que est? controlando a movimenta??o do carrinho.

Figura 2 ? M?dulo L298N.

3 O TRABALHO PROPOSTO

O carrinho tem diversos sensores que lhe permitem seguir linhas, desviar de obst?culos, resolver problemas de labirintos. O carrinho foi constru?do com um chassi composto por duas rodas e uma esfera deslizante, al?m de sensores ultrass?nicos localizados na frente e nas laterais, permitindo que o carrinho desvie dos obst?culos, mesmo que n?o estejam no ?ngulo reto de vis?o do ve?culo. Al?m disso, foram acoplados ao carrinho sensores reflexivos que lhe permitem seguir uma linha.

A ideia ? que o carrinho seja aut?nomo, isso significa que ele dever? percorrer dist?ncias, n?o muito longas devido ? capacidade da bateria, mas sem nenhuma interven??o humana.

Conforme j? mencionado ele o tamanho pr?ximo de um carrinho de controle remoto, e um dos diferenciais ser? a possibilidade de configurar via interface a velocidade e a acelera??o que ele poder? desenvolver. Claro que essa configura??o dever? levar em conta as capacidades do motor ao qual cada roda est? acoplada.

Alguns dos componentes utilizados compreendem:

(i)

Placa Arduino Uno: que ser? respons?vel por

controlar todos os sensores, e motores que

direcionam as rodas;

(ii) Plataforma/Chassis: compreende a estrutura do carrinho j? com as rodas e motores acoplados;

(iii) M?dulo L298N: ? o m?dulo que possui o driver para controle dos motores, ele ? controlado pelo Arduino, e possibilita a alimenta??o e o acionamento dos motores;

(iv) Sensor ultrass?nico: ? o sensor que vai detectar obst?culos que estiverem na frente ou ao lado do rob?;

(v) Sensor seguidor de linha: ele trabalha com Reflex?o IR emitindo e sinais luminosos, possibilitando, deste modo, maior precis?o na identifica??o do trajeto, por meio de linhas predeterminadas.

Claro que al?m desses componentes b?sicos outros componentes foram usados, mas como servem apenas para fazer a liga??o deles eles ser?o omitidos neste texto.

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4 MATERIAIS E M?TODOS

Para os testes foi utilizada a tecnologia explorat?ria baseada em testes. Os testes foram incialmente testes de unidade e depois de integra??o, de forma semelhante ao que ocorre com os testes de software.

Os testes feitos foram para verificar se cada componente do carrinho funcionava de forma individual e de forma conjunta,al?m da funcionalidade foi testada tamb?m a sua efici?ncia,visando a otimiza??o do projeto.

Al?m disso, durante os testes sempre se estabelecia uma meta que o carrinho deverai atingir ou superar. Ap?s a execu??o do teste era analisado o resultado/comportamento, caso o resultado n?o fosse o esperado, a equipe discutia o que poderia ter gerado a inconsist?ncia, depois de analisar o problema detectado os envovidos entravam em um concenso das poss?veis falhas, e reformulavam a solu??o em conjunto.

A equipe sempre decidia em conjunto as altera??es, tanto de software quanto de hardware, pois muitas vezes ao tentar resolver o problema novos problemas (algumas vezes maiores que o anterior) era introduzidos, assim acredita-se que o os problemas foram minimizados usando resolu??o unit?ria.

Como nem sempre todos os integrantes do grupo est?o presentes nas reuni?es de discuss?o dos problemas, aqueles que estiverem trabalhando no projeto fazem as altera??es e testes necess?rios que foram combinados,e compartilham com o grupo como um todo como se saiu e como realizou os testes, apresentando resultados e poss?veis novas discuss?es. Ao todo s?o 4 alunos bolsistas e volunt?rios que est?o atuando neste trabalho atualmente e como os testes s?o realizados a cada altera??o seja no software,seja no hardware o n?mero de testes at? o momento ? realmente grande,sendo assim invi?vel definir um n?mero exato de vezes que o projeto foi testado.

Cabe destacar que, o trabalho ainda n?o est? conclu?do, pois para que ele possua v?rios diferenciais ? necess?rio estar sempre adicionando novas funcionalidades.

Outro aspecto importante deste trabalho ? que todos os dados e resultados s?o sempre documentados e aramazenados na nuvem, possibilitando assim que todas as informa??es dos testes realizados fiquem melhor organizado. Cabe observar que a documenta??o ? feita tanto a n?vel de do hardware, quanto de software,com recursos multim?dia como fotos e v?deos al?m de tamb?m ser submetida uma listagem de todos componentes utilizados e os c?digos desenvolvidos, e em agluns casos os modelos das liga??es entre os componentes eletr?nicos utilizando a ferramenta Fritizing.

5 RESULTADOS E DISCUSS?O

Pode-se afirmar que os resultados ainda s?o parciais, pois o prot?tipo do carrinho est? sendo desenvolvido, mas alguns testes foram realizados, e estes encontram-se descritos a seguir:

Teste Seguidor de Linha - Com este teste chegou-se a conclus?o de que quando o objeto que est? na frente do LED ? preto, o receptor n?o recebe o retorno a luz infravermelha com facilidade como ocorre em objetos de cor clara, logo se aconselha que o caminho demarcado para ser seguido utilize a cor preta ou outra cor escura. Nos testes foram utilizadas superf?cies brancas com fitas pretas bem como o contr?rio. Foi desenvolvido um software que adapta o sensor ?ptico para funcionar em qualquer local, desde que a linha seja

contrastante com o piso aonde o carrinho ir? se deslocar. A Figura 3 ilustra este teste.

Figura 3 ? Carrinho seguindo linha. Teste para fazer o Carrinho Andar - durante a execu??o do teste houve certa dificuldade na montagem do carrinho, devido a falta de um shield motor, mas ap?s e pesquisas realizadas, descobriu-se que era poss?vel ligar os motores do carrinho usando CI. Depois da montagem do circuito: carrinho + CIs + Arduino, passou-se para a parte do software, que foi feito de forma que o carrinho pudesse ser controlado a partir do computador com um menu para o usu?rio, digitando-se a tecla F o carrinho movia-se para frente, R movia-se para tr?s, D virava para a direita, E virava-se para a esquerda e P parava. O projeto mostrou-se eficaz por?m n?o eficiente, pois o carrinho movia-se de forma muito lenta, usando pilhas ou a alimenta??o de 5V do arduino. Com testes posteriores este problema foi resolvido. Teste Sensor Ultrass?nico ? Depois de ter feito o carrinho andar, percebeu-se que seria interessante conectar um componente que tornasse o carrinho mais aut?nomo, e o componente escolhido foi um sensor ultrass?nico que daria ao carrinho a capacidade de perceber se h? algo ou algu?m na sua frente. Com isso foi poss?vel fazer com que o carrinho ao ser mandado de encontro a algum objeto o reconhecesse e se afastasse, chamando sozinho o comando de r?. Com rela??o ao software foi necess?rio integrar o software anteriormente testado do sensor ultrass?nico com o do carrinho, fazendo com que o sensor passasse a dist?ncia capturada para o carrinho fazendo-o assim chamar a fun??o de r? enquanto houvesse algo em sua frente, os testes foram bem sucedidos. Na Figura 4 ? poss?vel visualizar na parte frontal do carrinho o sensor acoplado.

Figura 4 ? Carrinho detectando obst?culo.

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Teste Sensor Ultrass?nico e seguidor de Linha - ap?s conclu?dos os testes com o sensor ultrass?nico e o carrinho, decidiu-se acoplar tamb?m um sensor seguidor de linha, que faria com que o carrinho fosse capaz de seguir uma linha. Para isso, foram usados dois sensores reflexivos que tornaram o carrinho capaz de reconhecer se existe uma linha abaixo dele, e segui-la. O carrinho devido a sua alimenta??o baixa n?o foi testado em movimento, mas preso em uma base de testes. Ele mostrou-se eficiente, reconhecendo todos os comandos passados pelo computador, reconhecendo algo ou algu?m em sua frente e reconhecendo a linha abaixo de si, que fez com que ele chamasse as fun??es de curva.

Teste da Alimenta??o do Carrinho - Depois de todos os testes com o carrinho a d?vida de que se era normal ele se movimentar de forma t?o lenta permaneceu. Ent?o, decidiu-se fazer testes para ver se os CIs n?o estavam pegando para si parte da alimenta??o dele e constatou-se que era exatamente isto que estava acontecendo. Foram realizados testes com um mult?metro (Figura 5) para medir a quantidade de volts que saia da alimenta??o e a quantidade que chegava aos motores, e constatou-se que os CIs pegavam para si aproximadamente 2V o que ? muito, considerando que a alimenta??o do Arduino ? de apenas 5V.

Figura 5 ? Teste da alimenta??o do carrinho.

Teste com o Carrinho usando o m?dulo ponte Hl298N - Foi verificado se o carrinho com um seguidor de linha conseguiria completar um pequeno caminho com uma fonte externa fornecendo alimenta??o de 12V. O principal problema encontrado desde o come?o do projeto do carrinho foi a alimenta??o, o que n?o foi diferente neste teste, pois a fonte quando conectada ao carrinho desligava. Por?m mesmo somente com a alimenta??o da Arduino ele conseguiu completar o percurso sem ajuda externa.

Atualmente, ser?o iniciados os testes envolvendo baterias do tipo Lipo que ser?o conectadas diretamente no M?dulo H1298N, visto que elas fornecem uma voltagem maior.

Posteriormente, ser?o acoplados um display de LCD que mostrar? as a??es que est?o sendo realizadas pelo carrinho, bem como um resumo dos comandos aos quais ele est? sendo submetido. Como hoje ? uma realidade o uso de dispositivos m?veis com a tecnologia Android, o passso subsequente ? instala??o e controle do display de LCD ser? a inclus?o de um m?dulo Bluetooth que permitir? que o celular fa?a as configura??es b?sicas do carrinho, agilizando assim a intera??o dos usu?rios com o carrinho. Assim, o controlador do carrinho receber? os comandos enviados pelo Android via Bluetooth e acionar? o carrinho estabelece o comando.

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Um resultado que acredita-se ser importante mencionar ? a integra??o dos bolsistas e o desenvolvimento de trabalho em equipe. Pois assim, foi poss?vel obter sucesso em muitos testes. Em resumo, os problemas com a alimenta??o do carrinho, atualmente, j? est?o resolvidos. E os pr?ximos passos compreendem a integra??o de componentes para comunica??o de diferentes dispositivos, sendo que todos esses elementos tornam carrinho ainda mais aut?nomo e "inteligente".

6 CONCLUS?ES

Tendo uma vis?o ampla do projeto, ? incr?vel o avan?o que tivemos desde a concep??o da ideia at? os resultados obtidos atualmente. Com o andamento do projeto encontramos diversas dificuldades, algumas por vezes quase desanimadoras,p or?m a equipe n?o perdeu o foco e grandes progressos foram obtidos.

O trabalho em equipe e a comunica??o ativa entre os membros de um projeto deste tipo ? essencial, pois o compartilhamento de ideias ajuda a resolver problemas, contribui para que o foco seja mantido e incentiva a persist?nca em se buscar resultados e n?o desistir nos primeiros problemas encontrados.

Com o carrinho ser? poss?vel ensinar de forma l?dica algumas leis da f?sica de modo a tornar o aprendizado mais f?cil e o conhecimento mais consolidado, bem como maximizar a compreens?o da cinem?tica, atrav?s do movimento uniforme (MU) e do movimento uniformemente variado (MUV).

Mas, a proposta ? que o carrinho possa ser utilizado de diferentes formas para variados fins, percebe-se que h? in?meras aplicabilidades para este tipo de solu??o em ambientes comerciais e industriais. Este tipo de ve?culo aut?nomo, com diferentes caracter?sticas e adapta??es pode, por exemplo, ser usado em diversos locais na ?rea de transporte de materiais como uma ch?o de f?brica.

AGRADECIMENTOS

A equipe do projeto agradece ao CNPq por financiar a bolsa PIBIC-EM dos alunos Northon Farias Iserhardt, Henrique Werner Delazeri e Leonardo de Araujo Lopes; e pelos recursos financeiros concedidos ao projeto que viabilizaram a compra de placas, sensores e shields, e ao IFRS por fornecer apoio financeiro ? aquisi??o de alguns materiais de consumo e permanentes necess?rios ? execu??o do projeto.

REFER?NCIAS BIBLIOGR?FICAS

McRoberts, M (2011). Arduino b?sico. Novatec, S?o Paulo SP.

Monk, S (2013) Programa??o com Arduino: come?ando com sketches. Porto Alegre: Bookman.

Monk, S (2014) 30 Projetos com Arduino. Porto Alegre: Bookman.

Monk, S (2014) Projetos com Arduino e Android. Porto Alegre: Bookman.

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