O robô foi montado de várias formas diferentes, com mudanças no modelo, pontos de apoio, rodas, entre outros aspectos, até chegarmos a um consenso de qual seria o robô com maior robustez, estabilidade e curvas de torque/velocidade aceitáveis.

       Para o primeiro trabalho prático, montamos um robô com duas rodas dianteiras com trações diferentes em cada uma delas (um motor para cada roda) e uma peça de roll-on que sustenta a parte traseira do mesmo. Na parte superior, foi projetado um teto coberto, onde se encontra a handy-board quando o robô está em operação. Foi anexado também, próximo ao eixo dianteiro, uma caneta de forma que a ponta da mesma sempre tenha contato com o chão. Assim, o robô pode desenhar a sua trajetória encima de uma cartolina ou papel kraft.

       Comprimento: 20 centímetros.

       Largura: 17 centímetros.

       Altura: 13 centímetros.

       Raio das rodas dianteiras: 2 centímetros.

       Distância do eixo dianteiro: 15 centímetros

       O Controle PD implementado no robô tem o objetivo de garantir que o mesmo percorra uma distância pré-determinada. Para tal, utilizamos sensores break-beam(encoder), que são sensores foto-elétricos em junção com emissores de luz, que geram pulsos quando se quebra ou libera a passagem de luz entre um e outro. Assim, foram ligados dois sensores break-beam no robô, um para cada roda, o que permitiu receber dados em tempo real de posição angular relativa do eixo e até mesmo velocidades relativas. Tal forma de se usar os sensores citados anteriormente, é chamada de shaft-encoder.

       A referência passada para a malha é um número pré-determinado de posição angular que deverá ser percorrida. O shaft-encoder foi montado em uma polia que apresenta 6 furos, logo em uma revolução o sensor captará 12 pulsos. A montagem do robô manteve na roda a mesma velocidade angular dessa polia, assim o número de rotações desenvolvido pela roda será visto sem escala pelo sensor na polia. O raio da roda utilizada mede 2 centímetros, de modo que a distância percorrida em uma rotação é 2πr, ou seja, em torno de 12.56 centímetros. Portanto, a cada 12.56 centímetros percorridos o shaft-encoder capta 12 pulsos, ou seja, um pulso a cada 0.955 centímetros.

       O controle PD implementado aplica no motor uma potência inicialmente alta, já que o erro entre a posição desejada e a atual é grande. A medida que o caminho é percorrido essa diferença cai assim como a potência aplicada até se tornar nula, quando a referência é atingida. Assim, o robô inicia sua trajetória com uma velocidade alta e, a medida que a trajetória é percorrida a velocidade diminui até se tornar nula (ponto de chegada).

       Afim de melhor ajustar os parâmetros do controlador coletamos os dados referentes a potência fornecida e o número de pulsos apontados pelo shaft-encoder para cada roda. O controlador foi ajustado para três valores diferentes de ganho e proporcional e ganho derivativo e o número de interações. Segue abaixo para cada configuração do controlador o número de iterações necessário para que a potência se estabilize em zero e o número de pulsos na referência de 75 pulsos.

       O melhor resultado foi obtido para ganho proporcional Gp = 10 e ganho derivativo Gd = 5. Com essa configuração a potência e o número de pulsos demorou apenas 18 iterações para se estabilizarem. Segue abaixo o gráfico com os valores coletados para essa configuração.

       Erro de Translação:

       Atuamos no motor por um tempo constante de 10s e anotamos as seguintes distâncias percorridas para as potências especificadas:

       Para V = 20 ⇒ 17 centímetros

       Para V = 60 ⇒ 29 centímetros

       Para V = 100 ⇒ 39 centímetros

       Erro de Rotação:

       A rotação de 90º é obtida com as rodas são atuadas em sentidos opostos. Como o eixo dianteiro do robô mede 15cm as duas rodas devem percorrer uma distância referente a um quarto do círculo cujo diâmetro é o eixo sobre o qual ocorrerá a rotação. Assim, a distância percorrida pelas rodas deve ser (π/2)*r, ou seja, 11.78 centímetros em sentidos opostos. Calibramos os tempos necessários para cada potência especificada e medimos o erro de rotação, conforme mostrado abaixo.

       A primeira tarefa do robô é percorrer um quadrado de 30cm de lado três vezes consecutivas. Para isso, atuamos em cada roda para uma referência em pulsos do shaft-encoder correspondente aos 30 centímetros, de acordo com a conversão apresentada, através de um controlador PD. Além disso, foi feito um ajuste de alinhamento de modo que caso uma roda, em alguma iteração, tenha percorrido o número maior de pulsos do que a outra o motor dessa última atua com uma valor maior considerando essa diferença de alinhamento. A rotação de 90° foi feita com as rodas percorrendo, em sentido contrário, um quarto da circunferência cujo diâmetro é o eixo dianteiro, sobre o qual ocorre a rotação.

       A segunda tarefa é percorrer uma circunferência de 30cm de raio três vezes consecutivas. Para isso o controle PD foi feito para atuar em apenas na roda que percorreria o raio maior, com a referência em pulsos adequada para a distância percorrida por ela. Já para a outra roda foi aplicada no motor durante o percurso uma potência proporcional àquela aplicada na primeira roda, de acordo com razão entre os raios percorridos. Assim, garantimos que as duas rodas apresentem a mesma velocidade angular e, consequentemente, que a trajetória seja uma circunferência.

       A interação com o robô ocorre através de uma simples interface que permite ao usuário escolher qual tarefa será realizada. Assim, ao ligar a handy-board o usuário pode apertar Start para que o robô execute o quadrado ou ainda pressionar Stop para que a circunferência seja percorrida. A princípio tivemos algumas dificuldades iniciais em locais com atritos diferentes, mas em uma cartolina sobre um local plano obtivemos o resultado esperado.

       Para esse trabalho prático, foi necessário comprar LEDs coloridos, de luz e RGB, LDRs, sensores IF, fios, pinos, resistências, entre outros objetos.

       A estrutura básica do robô continuou a mesma, tendo pequenas modificações para acomodar os novos sensores que serão mais bem explicados a seguir.

       Inicialmente tentamos implementar os sensores (um par), responsáveis por auxiliar o robô a seguir linha, através de pares de emissores e receptores de infra-vermelhos. Porém, devido a problemas nos emissores e receptores comprados, implementamos esses sensores através de um LED de luz vermelha e um LED de luz branca, ambos relacionados a um LDR. Assim, usando saídas analógicas, foi possível calibrar valores feitos pelos LDRs quando estivessem encima da linha preta e fora da mesma (chão branco). Por fim, implementamos um código em IC que permitiu ao robô seguir a linha preta.

       As funções de reconhecer a proximidade de um obstáculo (blocos) e reconhecer cores (vermelho, azul, verde, amarelo) foram implementadas através de dois LEDs de luz branca, um LED RGB e um LDR com uma blindagem lateral (como um binóculo) entre os mesmos. Os valores utilizados através do LDR são analógicos.

       Caso no menu seja escolhido a função de seguir linha reta, o robô usa os sensores seguidores de linha, como explicados anteriormente, e ao mesmo tempo, ativa os LEDs frontais de luz branca (como um farol).

       Os LEDs de luz branca ficam ligados até o sensor reconhecer um objeto próximo, já que após isso o LED RGB entrará em ação e a luz branca interfereria nos valores recebidos pelo LDR. O reconhecimento de objetos próximos é feito através de uma análise de diferencial que ocorre quando o objeto faz sombra sobre o LDR. Pois, quando ocorre a aproximação do robô de um bloco, o LDR captura a projeção dos LEDs de luz branca no mesmo, logo ao aproximar, os valores analógicos diminuem aos poucos. Porém, quando o LDR se torna muito próximo do bloco, o mesmo faz sombra sobre ele e os valores analógicos do LDR se tornam muito altos de uma forma abrupta, já que a sombra não permite a entrada de luz no tubo que leva ao LDR. Assim, podemos reconhecer a proximidade de blocos.

       Logo após o robô reconhecer um bloco, os LEDs de luz branca são desligados e o robô dá uma pequena ré para que possa capturar melhor a recepção de luz colorida. Assim, com o bloco a aproximadamente 3 cm do robô, os LEDs coloridos (RGB) são emitidos, um de cada vez e em sequência, e os valores médios analógicos capturados pelo LDR são armazenados em variáveis no programa. Por fim, através de um código de análise de erros, com valores calibrados anteriormente, implementamos o reconhecimento da cor. As ações feitas após o reconhecimento da cor são definidas no início do programa através do menu implementado no display.

       Como foi pedido no trabalho, montamos também dois sensores receptores de luz polarizada, através de dois LDRs, blindagens laterais e uma tela polarizadora. Foram usadas duas saídas analógicas para receberem os valores dos LDRs sensíveis a luzes polarizadas.

       Os sensores de luz polarizada foram montados na forma de dois olhos de um binóculo, um do lado do outro, onde um deles é sensível a luz polarizada horizontalmente e o outro a luz polarizada verticalmente.

       Inicialmente, o operador do robô deve escolher qual polarização o robô deve seguir no menu inicial.Após escolher, um dos LDRs será desativado e o outro será usado para capturar os valores necessários. Apesar da distância do robô das luzes interferir nos valores obtidos pelos LDRs, notamos que a luz polarizada entra com maior intensidade nos sensores polarizados da mesma forma que a mesma. Assim, fizemos com que o robô desse uma volta (360 graus) e capturasse os valores analógicos do LDR em questão. Como quanto maior a intensidade da luz, menor é o valor capturado pelo LDR, obtivemos um mínimo durante a volta feita pelo robô. Logo, armazenamos o mínimo em uma variável no programa e mandamos o robô dar outra volta, porém agora, quando o robô se deparar novamente com o valor mínimo capturado anteriormente, o mesmo saberá que estará de frente para a luz que deve seguir e irá em sua direção.

       Implementamos também um menu inicial que realiza a interface usuário/máquina. Onde o botão 'Start' significa aceitar e o botão 'Stop' significa rejeitar. Abaixo se encontra um diagrama explicativo do menu implementado.

       As ações, caso o robô se depare com um obstáculo, são parar, contornar pela direita, contornar pela esquerda e empurrar o bloco por uma determinada distância, que pode ser determinada pelo potenciômetro que se encontra na lateral da HandyBoard.

       Gráficos sobre a influência da luz ambiente e do motor.

       - Desvio padrão -

       Luz azul: 0,59

       Luz vermelha : 0,86

       Luz verde: 0,43

       - Valor Médio -

       Luz azul: 103

       Luz vermelha : 193

       Luz verde: 139

       - Desvio padrão -

       Luz azul: 0,75

       Luz vermelha : 0,83

       Luz verde: 0,6

       - Valor Médio -

       Luz azul: 102

       Luz vermelha : 191

       Luz verde: 139

       Podemos notar pelo gráfico que o ambiente afeta a medição de cor dos LRDs, alterando os valores, geralmente para mais, e dessa forma, aumentando o desvio padrão dos valores.

       - Desvio padrão -

       Luz azul: 2,4

       Luz vermelha : 1,9

       Luz verde: 1,7

       - Valor Médio -

       Luz azul: 108

       Luz vermelha : 194

       Luz verde: 144

       O motor estar ligado influencia na medição de luz refletida no bloco, devido ao fato de mudar a angulação do emissor de luz e do receptor, fazendo com que o desvio padrão fique elevado.

       Reflexão da luz no bloco para diferentes distâncias