Controle de Posição Através de Sensores de Luz
Breno Teruel1, Danilo Sanches2, Gabriel Augusto 3, Viviani Xavier4
Resumo - Este artigo trata do estudo sobre controladores de
posição de um veículo sobre um trilho. A definição da
posição desejada é feita através do acionamento de fontes de
luz posicionadas ao longo do trilho. O veículo possui
sensores de luz que fornecem informações para um sistema
digital que atua de forma a maximizar a recepção frontal de
luz.
Palavras chaves: Controle de Posição, Sensores de Luz,
Fototransistor.
Abstract - This article concerns the study of position
controllers of a vehicle on rail. The definition of the desired
position is done by activation of light sources placed
througlout the rail. The vehicle has light sensors which
provide information to a digital system, when activated,
maximize the frontal light acquisitions.
Keywords: Position Control, Light Sensor, Fototransistor.
1. Introdução
Este artigo tem por objetivo descrever e explicar o
funcionamento de um controlador de posição utilizando
emissores e receptores de luz.
O sistema é composto por um controlador baseado no
software LabVIEW. Sua comunicação com o meio físico é
feita através da placa de aquisição de sinais. O meio físico é
constituído por amplificadores de potência dos emissores de
luz e a interface do controle do motor.
Os emissores representam a posição desejada e os
receptores, a posição real do veículo, tendo como objetivo
alinhá-lo através do movimento do motor com a posição do
foco de luz, como pode ser visto no esquema da figura 1.
1
Figura 1: Esquema do Projeto
Este tipo de sistema pode ser implementado em qualquer
ambiente onde haja necessidade de controlar a posição de
um objeto. Um exemplo de aplicação seria em pontes
rolantes, sendo estas encontradas com muita facilidade em
indústrias e fábricas. São utilizadas para remoção ou
movimentação de cargas pesadas, normalmente localizadas
na parte superior dos galpões podendo fazer movimentos
horizontais e verticais. Tendo um guincho que se desloca até
o chão, onde é acoplada a carga.
2. Descrição
O controle de posição é feito através de sensores de luz
em um sistema de malha fechada. Para o desenvolvimento
do projeto estão sendo utilizadas partes de uma impressora
(trilho e cabeçote), ou seja, o cabeçote é o veículo
controlado que contém uma placa com fototransistores.
Estes detectam a incidência de luz, emitida pelos emissores
de luz, que são formados pelas lâmpadas conforme o
esquema da figura 1. Sendo assim o veículo se desloca para
onde tem maior incidência de luz. Na figura 2 é mostrado
um diagrama de blocos que representa sistema de controle,
onde pode-se observar o Controlador Gc(s), a Planta H(s) e
os cinco sensores de luz, fechando assim a malha de
controle.
Breno Teruel, Centro Federal de Educação Tecnológica de São Paulo, Rua Pedro Vicente, 625, São Paulo, SP, Brazil, [email protected]
Danilo Sanches, Centro Federal de Educação Tecnológica de São Paulo, Rua Pedro Vicente, 625, São Paulo, SP, Brazil, [email protected]
3
Gabriel Augusto, Centro Federal de Educação Tecnológica de São Paulo, Rua Pedro Vicente, 625, São Paulo, SP, Brazil, elétrica.Gabriel@
4
Viviani Xavier, Centro Federal de Educação Tecnológica de São Paulo, Rua Pedro Vicente, 625, São Paulo, SP, Brazil, [email protected]
2
Para o controle do motor será utilizado o circuito
integrado L293D que é uma ponte H.
Este circuito integrado apresenta dois acionamentos de
motores independentes, ou seja, podem ser ligados dois
motores ao mesmo tempo. A descrição do circuito interno do
L293D pode ser visto logo abaixo na figura 4.
Figura 2: Diagrama de Blocos do Sistema de Malha
fechada
Para que o veículo possa se deslocar foi utilizado um
circuito de potência, um circuito de acionamento do motor e
um controlador para todo o sistema.
O circuito de acionamento do motor define o sentido de
rotação, “horário” ou “anti-horário”, e a sua velocidade. Para
obter o resultado desejado, ou seja, a inversão do sentido de
rotação do motor, será utilizado um circuito conhecido como
“Ponte H”.
A Ponte H consiste basicamente em um circuito com
quatro dispositivos de chaves que são utilizadas para
controlar o sentido de rotação do motor de corrente contínua.
Para um melhor entendimento veja a figura 3 que
exemplifica o seu funcionamento básico, as quatro chaves
servem para mudar o sentido da corrente, se for acionada a
chave superior esquerda e inferior direita o motor gira no
sentido horário, acontece o contrário se for acionada
somente a chave superior direita e inferior esquerda neste
caso o sentido de rotação do motor será anti-horário.
Figura 3: Funcionamento do Motor (cc) como uma
Ponte H
Figura 4: Circuito Interno L293D
Ele tem a saída nos pinos OUT1 e OUT2 ou OUT3 e
OUT4 na qual é ligado o motor, o pino VSS é a tensão
máxima do motor e nos pinos IN1 e IN2 ou IN3 e IN4 é
feita o controle da corrente do motor (horário ou antihorário). Será utilizado um CI de uma porta inversora para
que haja a inversão de corrente, e logo mais será apresentado
o controle dessa inversão que será gerado pelo PWM.
Junto com o circuito da Ponte H, será utilizado um sinal
de controle chamado PWM (Pulse Width Modulation ou
Modulação de Largura de Pulso), que consiste em ajustar a
tensão de saída através de comandos do controlador lógico.
Para aplicar a modulação do PWM será utilizado o circuito
interno LM3524.
Figura 5: Circuito Interno LM3524
Seu funcionamento consiste na variação de largura de
uma tensão contínua controlando a rotação do motor e a sua
velocidade e assim fornece a potência necessária para o
acionamento do motor. Os pinos 11 (EMITTER A) e 14
(EMMITER B) do LM3524 vão ser utilizados nas entradas
IN1 e IN2 do L293D para o controle e o pino 9
(COMPENSATION) para o controle da largura do pulso.
O programa pode ser visualizado na figura 8.
Figura 8: Programa Software LabVIEW
Figura 6: Largura do Pulso
Com estes circuitos integrados será formado o circuito
para o acionamento do motor (controlador físico)
apresentado a seguir.
Figura 7: Circuito de Acionamento do Motor (cc)
O programa fará uma interpolação entre as tensões
obtidas dos sensores e um conjunto de valores de tensões,
previamente determinadas, correspondentes à posição onde
há maior incidência de luz como pode ser observado na
figura 8 no bloco 1.
Quando o sensor central estiver recebendo maior
incidência de luz, o controlador irá enviar 2,5V para o pino
de controle do PWM, que fará com que o motor fique
parado. Assim se o sensor da extremidade esquerda estiver
recebendo uma maior quantidade de luz, o controlador irá
0V para o circuito de acionamento do motor, fazendo com
que o veículo se desloque para a esquerda. O mesmo pode
ser obtido se o sensor da extremidade direita estiver com a
maior incidência de luz, porém a tensão será de 5V e ele irá
se deslocar para a direita.
Para uma maior precisão de controle, foi feita uma
comparação entre os dois sensores laterais em relação ao
sensor central. Foi feita uma subtração das tensões dos
mesmos e o resultado multiplicado por um ganho, em
seguida somado com 2,5V o que faz com que o veículo se
desloque para a esquerda ou direita como pode ser visto no
bloco 2 da figura 8.
O Controlador será feito por meio do computador
utilizando o software LabVIEW. Entre a parte física do
projeto e o controlador existe a placa de aquisição de dados
que trabalha juntamente com o LabVIEW. Essa faz a
aquisição das tensões dos cinco sensores de luz indicando
assim a maior incidência de luz, essas tensões seriam a
entrada do programa do LabVIEW e a sua respectiva saída
será no pino de controle de largura de pulso do LM3524
(PWM).
3. Resultados
Dados coletados sobre os fototransistores. Quanto menor
for a tensão melhor está sendo a incidência de luz.
Figura 9: Esquema Tabela
Sensor L
Sensor Am
Sensor V
Sensor Az
Sensor R
Sensor L
Sensor Am
Sensor V
Sensor Az
Sensor R
Sensor L
Sensor Am
Sensor V
Sensor Az
Sensor R
Posição 1-A Posição 1-B
(Volts)
(Volts)
9,41
8,44
9,17
7,69
3,845
9,65
9,04
9,75
9,11
9,79
Posição 2-A Posição 2-B
(Volts)
(Volts)
9,90
9,53
9,88
9,55
9,77
7,58
8,67
9,57
8,32
9,48
Posição 3-A Posição 3-B
(Volts)
(Volts)
9,93
9,89
9,92
9,85
9,89
9,73
9,70
8,35
9,46
8,51
Tabela dos Sensores
Posição 1-C
(Volts)
8,44
7,69
9,65
9,75
9,79
Posição 2-C
(Volts)
8,80
8,32
9,76
9,83
9,86
Posição 3-C
(Volts)
9,58
9,41
6,73
9,43
9,37
4. Análise de Resultados
A tabela acima mostra a incidência de luz (tensão) nos
cinco fototransistores de acordo com o posicionamento do
veículo. Quanto maior a incidência de luz menor será a
tensão enviada para o controlador.
O objetivo inicial do projeto era fazer com que um
veículo percorresse um trajeto sobre trilhos, procurando a
melhor posição (melhor incidência de luz). Foi utilizado um
circuito eletrônico, para controlar a velocidade e o sentido de
rotação do motor do veículo, composto por um PWM e uma
Ponte H. Para os sensores, foram utilizados fototransistores,
por possuir um tempo relativamente pequeno de resposta,
isto faz com que o controlador atue sobre o sistema de forma
mais rápida.
Os sensores foram ligados diretamente nas entradas do
controlador (LabVIEW), já a saída foi ligada no circuito do
motor, fechando assim a malha de controle. Foi utilizado um
controlador proporcional, ou seja, um controlador que atua
de forma proporcional ao erro gerado pelo sistema.
No futuro pode ser utilizado um controlador proporcional
integral (PI), assim o sistema ficará mais preciso, uma vez
que o controlador integral consegue atuar sobre pequenos
erros, dado que sua função é integral o erro ao longo do
tempo, obtendo um melhor alinhamento ao foco de luz.
6. Bibliografia
OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 4. ed.
São Paulo: Prentice-Hall, 2003.
NOLL, Valdir. Fotodiodos e Fototransistores.
Disponível em: < www.cefetsc.rctsc.br/vnoll/fotoscondutivos.pdf>. Acesso em: 08 dez.2008.
__________.
Datasheets.
Disponível
em:
www.alldatasheet.com>. Acesso em: 08 dez.2008.
Figura 10: Imagem Projeto
5. Conclusão
Com a parte física construída e sua malha de controle
fechada, foi possível verificar o funcionamento de um
sistema de controle em malha fechada.
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