Tidir III - Atc

TRABALHO INTERDISCILINAR DIRIGIDO IIIINTITUTO POLITCNICO Centro Universitrio UNAAUTOMATIZAO DE BICICLETA POR SENSORES Curso: Engenharia de Computao Professor TIDIR: Osmar Ventura Gomes

Bruno Costa, Everton Cares, Jacques Gelmini Almeida, Matheus caro , Mauricio Gustavo, Raphael Carcerone, Victor Albuquerque.Resumo Este artigo apresenta a implementao de sensores na automao da bicicleta, atravs de um sistema que possa realizar a troca das marchas conforme a necessidade do ciclista. Desenvolveu-se um sistema eletrnico controlado por um arduno e um prottipo, bem como, uma bicicleta automatizada para o funcionamento do sistema, assim pode-se obter um sistema automatizada utilizando-se sensores. Palavras-chave Sensores, Automao, Bicicleta.

1. INTRODUO No sculo XV, Leonardo da Vinci criou o primeiro esboo da bicicleta, a qual tem vrias utilidades, em que serve como um meio de transporte ecologicamente correto, como um excelente exerccio fsico, ou at mesmo para o lazer. Em tempos de preocupaes ambientais com emisses de carbono e ainda problemas de sade em obesidade e doenas cardacas, a bicicleta aparece como um agente transformador. Desde ento, a bicicleta foi constantemente aperfeioada at um modelo de sistema de cambio automatizado. Com este intuito de automatizao em maior desempenho e conformidade, surgi-se a definio de automatizao, em que descrito em trs etapas, em que a primeira etapa o Sistema de Controle, que significa a descrio global do sistema como um todo. A segunda etapa o Equipamento de Controle, no qual apresentado de forma detalhada as informaes de entrada e os comandos de sada relativos ao equipamento de controle. Por fim, a terceira etapa o Sistema Controlado, onde ocorre a descrio detalhada do processo controlado, apresentado detalhes relacionados execuo do controle [1].Mediante estes conceitos de automatizao, tem-se a questo: De que forma os sensores podem ser utilizados na automatizao da bicicleta? Atualmente, existem sensores de funcionalidades diferentes que podem ser utilizados para a automatizao do cambio da bicicleta, tais como o sensor infravermelho para detectar rotaes, o acelermetro, o qual utilizado para medir inclinao, e o sensor hall, utilizado para detectar um campo magntico, por tanto sero utilizados dois destes sensores citados. O presente trabalho tem como objetivo geral implementao de sensores para a automao do sistema de transmisso da bicicleta. Como objetivos especficos, tm-se: Analise da integrao de sensores na transmisso da bicicleta; o desenvolvimento de um algoritmo para a automatizao; o desenvolvimento de uma bicicleta automatizada como prottipo. Justifica-se este trabalho pelo aspecto ecolgico, ambiental e tecnolgico, atendendo integrao de sensores na mecnica.2. REVISO BIBLIOGRFICA2.1 ARDUNOConforme Michael McRoberts, "[2] Um Arduino um pequeno computador que voc pode programar para processar entradas e sadas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele". Ainda sim, afirma que o Arduino o que chamamos de plataforma de computao fsica ou embarcada, ou seja, um sistema que pode interagir com seu ambiente por meio de hardware e software [2]. O software uma linguagem de programao para desenvolvimento do software do microcontrolador e do gerenciador de inicializao (bootloander) que executado na placa [3]. As programao padro do Arduno a Open-source Arduino, em que origina-se da Wiring e C/C++, ambas linguagem de programao aberta [3]. Segundo a Arduino SA, "[4] O ambiente Open-Source Arduino, torna fcil escrever cdigo e envi-lo placa i / o.Ele roda em Windows, Mac OS X e Linux.O ambiente escrito em Java e baseado em Processing, avr-gcc e outros softwares de cdigo aberto.". Ainda sim pode-se utilizar outras plataformas como o Java, Max/MSP, Pure Data, SuperCollider, ActionScript, entre outros [3]. 2.2 SENSORESOs sensores proporcionam um meio de gerar sinais que podem ser utilizados como entradas para circuitos eletrnicos, em que parmetros fsicos como a temperatura, o nvel de iluminao e a presso so exemplos daquilo que pode ser sentido, e assim enviados pelos sinais para circuitos eletrnicos [5]. Afirma Mike Tooley que, "[5] Ser capaz de gerar um sinal eltrico que representa de forma precisa essas quantidades nos permite no apenas medir e guardar esses valores, mas tambm controla-los".

Figura [1]: Sensor em uma polia de uma maquina.Fonte: Instituto Newton C. Braga (Acesso em 09 Abr. 2014).O sensor hall e capaz de detectar campos eletromagnticos, assim o campo eltrico e a tenso Hall tm sentido opostos, em que o sinal da tenso Hall permite determinar o sinal dos portadores majoritrios de carga [6]. Segundo Sergio Rezende, "[6] Quando o movimento de eltrons num semicondutor e confinado a duas dimenses, a tenso Hall varia com o campo magntico em degraus". O sensor Hall constitudo de uma pequena barra de semicondutor, percorrido por uma certa corrente eltrica. Quando o sensor Hall colocado num campo magntico no qual a intensidade deste campo pode-se medir, assim o valor da tenso aparece transversalmente no sensor que fornece uma medida direta do campo [6]. Prendendo-se um im em qualquer pea mvel, pode-se detectar o movimento da pea, pelo fato de um im conter um campo eletromagntico. Assim, podem-se somar as rotaes e verificar a sua posio utilizando um sensor Hall [7]. A Figura [1] demonstra um sistema em uma maquina industrial, na qual um im est preso a uma engrenagem em que o sensor Hall detecta quantas voltas dar tal engrenagem [7].

Figura [2]: Sensor em uma polia de uma maquina.Fonte: Instituto Newton C. Braga (Acesso em 09 Abr. 2014).A Figura [2] demonstra um im preso a uma pea circular em que gera o mesmo padro de campo, permitindo assim detectar movimentos de rotao [7]. 2.3 SERVOMOTORO Servomotor uma maquina que movimenta proporcional a um comando, e funciona em dois modos que so o modo torque e o modo velocidade, alem de ser constitudo por um motor eltrico, sensor e um circuito de controle [8]. No modo torque o servo motor controla apenas o torque no eixo independente da velocidade e posio do mesmo [8]. No modo Velocidade, o servomotor se mantm constante no valor indeterminado pela referncia de velocidade, assim o torque ir variar em funo da carga [8]. O Motor eltrico o conjunto de engrenagens que forma uma reduo que ajuda a amplificar o torque; Sensor acoplado ao eixo do servo, sendo que o valor de sua resistncia eltrica determinar a posio angular do eixo; Circuito eltrico que formado por componentes eletrnicos tais que recebe o sinal do sensor e assim aciona o motor no sentido necessrio para posicionar o eixo na posio desejada [8].

Figura [3]: Como Funciona um ServomotorFonte: Pictronics (2010).A Figura [3] demonstra o funcionamento em que correspondem as posies do servo motor. Um sinal de 1 ms (milissegundos) corresponde a uma posio do brao do servo todo a esquerda 0 (zero grau), um sinal de 1,5 ms a posio central do servo 90 (noventa graus) e um sinal de 2ms corresponde a uma posio todo a direita 180 (cento e oitenta graus) [8]. O Anexo [1] contm o cdigo em linguagem C++ para comunicao junto ao Arduno, tambm o Anexo [2] informa os componentes de um servo motor.2.4 SISTEMAS DE TRASMISSO DA BICICLETA

Figura [4]: TransmissoFonte: Esportesmais (ADAPTADA, 2010).O funcionamento de uma bicicleta composto pela movimentao atravs de seus componentes identificados na Figura [4]. Deste modo funcionam-se com base nos fundamentos da Matemtica e da Fsica. Os pedais ao serem executados, fazem-se girar a roda junto a Coroa e Catraca transmitindo o movimento por intermdio de uma corrente conectada roda traseira. O percurso completo da roda de um ponto AB, depende dos dimetros da coroa, catraca e roda [9].A bicicleta ter um numero de machas dependendo do numero de coroa dianteira vezes o numero de catracas, totalizando um numero de marchas. Segundo Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC), "[9] A roda traseira da bicicleta gira com a mesma velocidade angular da catraca". Conforme demonstra Figura [5],

Figura [5]: Engrenagens Fonte: Feira de Cincias (ADAPTADA, 2011).pode-se observar detalhadamente no sistema de transmisso da bicicleta o principio da Ao e Reao que a 3 Lei de Newton, em que segundo Young e Freedman, "[10] As duas foras decorrentes da interao possuem sempre o mesmo mdulo e a mesma direo, mas sentidos contrrios". Assim F e F' indicam, respectivamente as foras de ao e reao, aplicadas pelas superfcies de dois dentes em contato. O momento de inrcia expressa o grau de dificuldade em se alterar o estado de movimento de um corpo em rotao, segundo Young e Freedman, "[11] A energia cintica de um corpo igual ao trabalho realizado para acelerar o corpo do repouso at a velocidade considerada", ainda sim afirma que: "[11] Quanto maior for o

Figura [6]: Como Funciona um ServomotorFonte: PICTRONICS (2010).momento de inrcia de um corpo, mais difcil se torna fazer ele girar a partir do repouso e mais difcil se torna fazer ele parar quando ele est girando". A Figura [6] demonstra o momento de inrcia na engrenagem da bicicleta em que segundo Young e Freedman, "[11] Quanto maior for o momento de inrcia, maior ser a energia cintica do corpo girando com uma dada velocidade angular w." Sendo assim, pode-se usar o momento de inrcia em torno da origem para calcular a dificuldade da roda da bicicleta, para aumentar ou diminuir a velocidade. De acordo com James Stewart, "[12] definimos o momento de inrcia como: ".Em que o momento de inrcia de uma partcula de massa m em torno de um eixo definido como mr, onde r a distncia da partcula ao eixo, e sendo p(x,y) como pontos de um eixo x e outro y [12]; assim o resultado o momento de inrcia da lmina em torno do eixo (x+y). Simplificando a equao resulta em:

3. MATERIAIS E MTODOSComo material para automatizao da bicicleta, foram utilizados uma bicicleta de 21 de marchas em desuso na qual utilizou-se 6 machas, um arduno como unidade de controle do sistema, sensor hall, sensor acelermetro, im natural, servomotor, display, protoboard e cabos jumper.Para automatizao da bicicleta, foram necessrias trs etapas, sendo respectivamente o estudo do cambio da bicicleta, a programao do arduno, e por ultimo a comunicao do servomotor e sensores junto ao arduno. No estudo do cambio da bicicleta, foram realizadas pesquisas para a aplicao dos conceitos de fsica e o momento de inrcia, afim definir uma sequencia de macha mais leve at a mais pesada, utilizando-se o raio de cada engrenagem. Para a programao do arduno afim do recebimento e envio de dados aos componentes como o sensor e o servomotor, foram realizadas pesquisas referentes s bibliotecas necessrias para comunicao destes, bem como as bibliotecas da linguagem C: math.h; Servo.h; LiquidCrystal.h. Tambm utilizou-se a plataforma Arduino Software para programao, conforme o anexo [2] que demonstra o cdigo de comunicao do sistema.Para a interdisciplinaridade, em que atravs da disciplina de Fsica Mecnica pode-se aplicar conceitos e interpretao das leis de Newton para o sistema do cambio da bicicleta, e o momento de inrcia para identificao da marcha ideal. Atravs da disciplina de Calculo de Varias Variveis, pode-se resolver a equao do momento de inrcia e embasamentos para aplicao na bicicleta. Na disciplina de Algoritmo e Estrutura de Dados, pode-se interpretar os cdigos e programa-los conforme a necessidade entre a comunicao do arduno, servomotor e sensores para o sistema. Em resultados experimentais, foram realizados os testes e implementaes das teorias e conceitos para automatizao da bicicleta.4. RESULTADOS EXPERIMENTAISEm resultados experimentais, realizou-se no dia 29/03/2014 a programao do arduno como primeira parte para comunicao junto ao sensor hall, servomotor e acelermetro; assim utilizando a plataforma Arduino Software, pode-se criar um algoritmo em que no foram encontrados problemas para tal configurao, em que atreves das pesquisas e interpretaes em outros cdigos j desenvolvidos de tal comunicao entre um arduno, sensores e servomotor. Desde modo, testou-se cdigos at a estrutura ideal conforme tal necessidade, segundo o anexo [2] onde encontra-se o cdigo de comunicao do sistema. Aps o desenvolvimento do cdigo do sistema, no dia 05/04/2014, foram verificadas as conexes fsicas para testes no cdigo. Implementou-se o sensor hall no quadro e o im natura no raio da roda, conforme o anexo [6]. Iniciando com o sensor hall, pode-se verificar a rotao da roda e pedal, no intuito de detectar a velocidade e verificar qual o tempo ideal de realizar a troca da macha. Conforme o anexo [3], a instalao do sensor no arduno ocorreu de forma satisfatria atravs de pesquisas realizadas, utilizando-se solda, jumper e os plugs para tal conexo. Aps as conexes fsicas do sistema, testou-se o funcionamento e assim pode-se encontrar as rotaes da roda e pedal; deste modo, j inserido-se um im no raio da roda traseira onde posicionou-se o sensor fixo no garfo traseiro da bicicleta, para que toda vez que o im passasse na posio em que se encontra o sensor hall, o mesmo envia-se um sinal em forma de tenso hall para a unidade de controle (UC), informando-se que foi completada uma volta na roda. Assim a UC abre uma contagem de voltas durante 1 segundo, para verificar quantas vezes a roda girou neste tempo. Com este dado, ocorre-se a converso para rotaes por minuto, multiplicando por 60; em que possvel obter a velocidade em Km (kilmetros) por Hora, (Km / hr), atravs da a equao abaixo deduzida pelos dados e a necessidade:

rpm (rotaes por minuto) vezes 2* r circunferncia, sendo o raio da bicicleta 26" que igual 0.3302m (metros); vezes 60 que a converso de minutos para hora, dividido por 1000 que a converso do raio em metros para kilmetros.Para identifica-se quando o ciclista estiver pedalando, realizou-se o mesmo procedimento, o sensor fixo no quadro e o im desta vez na coroa dianteira, em que encontra-se o pedal. Assim a UC realiza-se os mesmos clculos afim de encontra o RPM da coroa, para a informao de que o ciclista pedala ou no.No dia 12/04/2014 19/04/2014, ocorreu-se a 2 etapa do projeto, com o intuito da troca de marcha fsica realizada pelo servomotor. Para tal, o seletor de marchas manual foi desmontado e remontado de forma que pudesse trabalhar em conjunto ao seletor, conforme o anexo [4]. Para definir cada marcha, realizou-se o calculo do momento de inrcia para os ndices relatados no apndice [1] e anexo [7].Aps realizar-se o calculo do momento de inrcia, pode-se configurar a posio em graus para cada marcha, para ajustar o funcionamento do servo motor. Assim girou-se o seletor at a marcha desejvel, conforme configurado na UC. Por exemplo, caso a macha necessria seja a 1 (mais leve), a UC verifica atravs da velocidade a necessidade de troca de marcha, assim enviando a posio em graus que o servo-motor dever se posicionar, neste caso 90 graus. Caso necessrio a marcha mais pesada, se posicionaria 0 graus. Conforme o anexo [7] onde informa qual o grau para a determinada marcha. No dia 22/04/2014, aps o sucesso com a comunicao do sistema e as trocas de marcha, iniciou-se a conexo fsica do display para teste final com o objetivo de verificar se o arduno de fato recebia o sinal dos sensores. O display apresentou uma falha no qual no apresentava as informaes no seu visor, bem como foi necessrio uma resistncia varivel para correto funcionamento do contraste da tela, pois a energia recebida selecionava contraste mximo e impossibilitava-se ver com clareza os dgitos conforme anexo [5].Pode-se definir a velocidade de cada marcha pela contagem de pedaladas, considerando-se o raio da coroa motora pelo raio da coroa motriz, multiplicando pela quantidade de pedaladas mxima para saber a rotao ideal da roda traseira para cada marcha. Desde modo, pode-se encontrar os valores no anexo[7].No dia 24/04/2014, ajustou-se o sistema para passagem de marcha. Com o sistema em pleno funcionamento, o mesmo verifica-se a velocidade da bicicleta atravs do sensor hall, logo aps ocorre-se a coleta de dados em quantas pedalas o ciclista realiza, assim o servomotor acionado para selecionar-se a marcha necessria.Desde modo a comunicao realizou-se com sucesso, sensores, arduno e servomotor operando-se em conjunto e realizando-se a automao do sistema de transmisso da bicicleta.5. CONCLUSOO trmino deste trabalho foi satisfatrio, sendo possvel cumprir os objetivos propostos, em que realizando-se a implementao de sensores para a automao do sistema de transmisso da bicicleta; pode-se verificar a utilizao dos sensores de forma inteligente na coleta de dados para tal funcionamento. Atravs da analise da integrao dos sensores, foi possvel o desenvolvimento de um algoritmo para comunicao dos componentes na coleta dos dados para ordem da troca de marcha. Desde modo, possibilitou-se o desenvolvimento da automao da transmisso da bicicleta.Diante disto, os sensores podem ser utilizados para coletar os dados necessrios para a troca das marchas de forma pratica conforme a necessidade do percurso. Ainda sim, traze-se mobilidade e conforto ao usurio, alm de um estimulo aos exerccios fsicos.Orienta-se a continuidade deste trabalho para possveis melhorias nos sistema, bem como: adaptao de um display com informaes de sade relacionando o exerccio atravs da bicicleta; adaptao de energia alternativa atravs de um dnamo na roda ou no pedal para funcionamento do sistema; sensores de proximidade como o acstico ou infravermelho para questes de segurana urbana do ciclista.6. REFERNCIA BIBLIOGRFICA[1] GEORGINI, Marcelo. Automao aplicada: Descrio e implementao de sistemas sequenciais com PLCs. Ed. 9, So Paulo: riaca LTDA, 2007, P.20[2] MCROBERTS, Michael. Arduino Bsico. Traduo Rafael Zanolli. So Paulo, 2011. P. 22.[3] BRASIL: INATEL: Uma soluo com Arduno para controlar e monitorar processos industriais. Disponvel em Acesso em: 08 Abr. 2014[4] EUA: ARDUINO: Arduino IDE. Disponvel em Acesso em: 08 Abr. 2014[5] TOOLEY, Mike. Circuitos eletrnicos: Fundamentos e Aplicaes. 3 Ed. Rio de Janeiro, 2007. P. 288.[6] REZENDE, Sergio M. Materiais e dispositivos eletrnicos. 2 Ed. So Paulo, 2004. P. 150 - 152.[7] BRASIL: NEWTON C. BRAGA.: Como funciona os sensores de efeito Hall. Disponvel em< http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/6640-como-funcionam-os-sensores-de-efeito-hall-art1050> Acesso em: 09 Abril 2014.[8] BRASIL: PICTRONICS: Como funciona um servomotor. Disponvel em< http://www.pictronics.com.br/artigos-tecnicos/43-eletronica-e-automacao/89-como-funciona-u m-servo-motor.html > Acesso em: 04 Abril 2014.

[9] BRASIL: UDESC: Como funciona a bicicleta? Disponvel em Acesso em: 04 Abril 2014.[10] YOUNG, Hugh D; FREEDMAN, Roger A. Fsica I Mecnica. 12 Ed. So Paulo 2008. P. 121.[11] YOUNG, Hugh D; FREEDMAN, Roger A. Fsica I Mecnica. 10 Ed. So Paulo 2003. P. 270.[12] STEWART, James. Clculo Volume 2. 5 Ed. So Paulo, 2007. P. 1010 - 1011.

7. ANEXO[1]

Anexo [1]: Composio Servomotor.Fonte: Hackeando um servomotor.

[2]

Anexo [2]: Cdigo do sistema..Fonte: Elaborada pelo autor.[3]

Anexo [3]: Conexo dos Componentes.Fonte: Elaborada pelo autor.

Anexo [4]: Conexo dos Componentes.Fonte: Elaborada pelo autor.[4][5][6]

Anexo [6]: Im e Sensor Hall.Fonte: Elaborada pelo autor.Anexo [5]: Criando uma resistncia no display.Fonte: Elaborada pelo autor.

[7]

Anexo [7]: posio de cada marcha em relao ao giro do servo-motor e velocidade inicial e finalFonte: Elaborada pelo autor.

8. APENDICE[1]

Apndice [1]: Clculo do momento de inrcia para cada marcha.Fonte: Elaborada pelo autor.