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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Robô alimentado por células solares. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa A infância deixa uma marca em cada um de nós, independente da idade; é mais frequentemente associado ao amor por brinquedos. Aparentemente, o amor por brinquedos como os robôs tomou conta de nós mais tarde, influenciado pelo interesse geral pela exploração espacial, porém, quanto mais motivos que nos levem a nos interessar por robôs, melhor. Este capítulo lhe dá a oportunidade de conhecer um charmoso amiguinho robô chamado Harvey. Brincar traz muito prazer, mas fazer você mesmo não é menos interessante. Embora a maioria dos robôs seja altamente capaz, Harvey é menos notável nesse aspecto. Ele é um indivíduo direto e com um objetivo: seguir a linha branca. Na verdade, ele seguirá incansavelmente o caminho pretendido ao redor do globo e retornará. Além disso, é “alimentado” pelo sol. Controle de robô Qualquer robô deve ter mobilidade, ou seja, mover-se de um lugar para outro, bem como habilidades de navegação durante o movimento. Esses dois requisitos diferentes, mas relacionados, são atendidos por dois dispositivos separados. O primeiro controla o movimento mecânico do robô. Para isso, são utilizados servomecanismos. Um servo é uma parte mecânica de um robô, semelhante aos músculos humanos. Harvey requer dois servossistemas: um para avançar (como o motor de um carro) e outro para controlar o movimento. Nem sempre é fácil garantir que estes dois sistemas funcionam em conjunto. O problema é resolvido de duas maneiras. Na primeira delas, ambas as funções são combinadas em uma só. Vamos voltar à Fig. para explicação. 1.
Sistema de controle de movimento ativo Para movimentar o carrinho (robô Harvey), a maneira mais fácil é colocar as rodas motrizes no eixo e girá-lo. Os dispositivos destinados a esse fim foram inventados há muito tempo; incluem corrente, correia em V e acionamento por engrenagem, além de acionamento direto (a partir de um motor). Quando ambas as rodas giram na mesma velocidade, o robô avançará em linha reta (é claro, se ambas as rodas tiverem o mesmo diâmetro). A velocidade de movimento do robô é proporcional à velocidade de rotação das rodas. Consideremos o caso em que as velocidades de rotação das rodas não são iguais. Isto pode ser conseguido dividindo o eixo ao meio e fornecendo a cada roda uma tração separada. Como antes, o robô se move em linha reta se ambas as rodas girarem na mesma velocidade. Se a velocidade de rotação de uma roda, por exemplo a esquerda, diminuir, o carrinho girará para a esquerda. Por que? A razão é que uma roda girando a uma velocidade mais baixa, na verdade, forma um fulcro (mesmo que se mova), em torno do qual outra roda se move a uma velocidade de rotação mais alta. Quase se você parar completamente a roda esquerda, o carrinho descreverá um pequeno círculo no local com um raio igual à distância entre as rodas. Da mesma forma, a rotação lenta da roda direita em relação à esquerda faz com que o robô vire para a direita. Na verdade, as funções de dois mecanismos são combinadas aqui em um. Uma mudança separada na velocidade da roda garante não apenas o movimento do carrinho, mas também o controle da direção do movimento. Em muitos robôs, eles geralmente usam um desligamento de curto prazo da rotação de uma ou outra roda e, assim, conseguem o controle de movimento necessário. Este princípio de movimento é acompanhado por um leve tremor, porém, se o tempo durante o qual a roda não gira for curto o suficiente, os solavancos são suavizados e o movimento torna-se relativamente suave Controle de movimento passivo No segundo método, as funções de movimento e controle são separadas. Há um eixo fixo para fornecer movimento em linha reta e um volante dianteiro (ou par de rodas) é usado para mudar de direção. A condução é baseada neste princípio.
Quando o volante está paralelo às rodas motrizes, o robô se move para frente (Fig. 2). Gire o volante para a esquerda e ele virará para a esquerda, gire para a direita e o robô virará para a direita, como um carro. A vantagem deste método é a presença de um controle suave. O robô pode girar gradualmente ou de uma só vez, sem nunca parar as rodas traseiras. Por razões que ficarão claras mais tarde, este método foi escolhido para controlar o robô Harvey. Neste caso, o volante é acionado por um pequeno motor elétrico. Controle eletrônico Chegamos ao próximo estágio de criação de um robô - um sistema de controle de rastreamento. Sem uma certa quantidade de inteligência, Harvey simplesmente “vasculharia” aleatoriamente de um lado para o outro. Na maioria das vezes, o controle do motor é uma questão eletrônica. Para “ver” a linha branca de Harvey, são necessários “olhos”. Os olhos de Harvey são um par de fototransistores Q1 e Q2 mostrados na Fig. 3. Um fototransistor é um transistor comum no qual a parte superior do corpo é removida e a base é iluminada com luz. A luz geralmente é focada na junção pn usando uma lente que funciona como cobertura para o corpo do transistor.
Quando a luz atinge a região da base, uma corrente de coletor proporcional à intensidade da luz flui através do transistor, ou seja, o sinal normalmente aplicado ao terminal da base agora é gerado pela luz incidente. Na maioria dos casos, incluindo o nosso, o fototransistor possui apenas dois terminais e não há terminal de base. Os fototransistores são conectados a amplificadores operacionais (amplificadores operacionais) usando um circuito conversor de corrente-tensão. Como você sabe pela eletrônica básica, um amplificador operacional é um amplificador de corrente. A tensão de saída do amplificador depende da corrente que flui através da entrada inversora.Em um circuito de comutação convencional, o sinal de saída é realimentado para a entrada inversora, onde o sinal é somado. Quando a corrente de feedback e a corrente de entrada são iguais, o amplificador está em estado de equilíbrio. Se um resistor (R2 na Fig. 3) for incluído no circuito de realimentação, a queda de tensão neste resistor será proporcional à corrente que flui através dele. Esta tensão é, além disso, proporcional ao sinal de entrada e é removida do pino na saída do amplificador operacional Além disso, o amplificador operacional possui outro recurso interessante, do qual aproveitamos. Isso significa a presença de entradas diferenciais. Sua peculiaridade é que o sinal aplicado à entrada diferencial não inversora será, na verdade, subtraído do sinal na entrada diferencial inversora. Há uma espécie de ato de equilíbrio acontecendo. Quando as correntes de entrada nos pinos 2 e 3 são iguais, elas se cancelam e nenhum feedback é necessário para equilibrar o circuito de corrente. Portanto, a queda de tensão no resistor R2 é zero mesmo quando há sinal. As magnitudes das correntes de entrada são determinadas pelas correntes de coletor dos fototransistores Q1 e Q2. Com irradiação igual de transistores com luz, fluem correntes iguais. Como é impossível selecionar um par de transistores com características perfeitamente correspondentes, um resistor variável VR1 é usado no circuito para eliminar a ligeira diferença entre os dois “olhos” de Harvey. Os fototransistores são colocados em um pequeno painel semelhante ao mostrado na Fig. 4, e são separados por uma partição na qual está localizado um poderoso LED infravermelho SD1. Como os fototransistores estão isolados dessa fonte de luz, sua radiação não os atinge diretamente. Se você aproximar o aparelho de uma superfície reflexiva, tudo muda. A luz é refletida na superfície e detectada por fototransistores. A quantidade de luz que atinge os fototransistores depende das propriedades ópticas da superfície refletora. Um princípio semelhante está subjacente à visão de Harvey. Mais luz será refletida em uma superfície clara espelhada do que em uma superfície escura. A superfície branca tem a maior refletividade; a refletividade de todas as outras cores diminui dependendo do seu coeficiente de absorção. Uma superfície preta reflete a menor quantidade de luz.
O princípio operacional de Harvey pode ser analisado usando uma linha branca sobre fundo escuro. Primeiro, vamos colocar o robô exatamente acima da linha branca, para que os fotossensores respondam igualmente à radiação infravermelha. Então não haverá tensão na saída do circuito IC1. Se você mover o robô para a esquerda ou para a direita, o fototransistor correspondente se afastará da linha branca e, portanto, receberá menos luz em comparação com o outro. Uma tensão de uma polaridade ou de outra aparecerá na saída do amplificador operacional. Agora temos um sinal correspondente à posição do robô em relação à linha branca enquanto ele se move ao longo desta “rodovia”. A tensão de saída do amplificador operacional é fornecida a dois comparadores, IC2 e IC3, conectados de acordo com um dispositivo de dois limites. Quando conectadas desta forma, ambas as saídas estão em baixo potencial se a tensão de entrada estiver dentro de certos limites definidos pelo divisor através dos resistores R4, R5 e R6. Se a tensão de saída do amplificador operacional for menor que o limite inferior da faixa definida, o comparador no chip IC3 é acionado e sua saída é definida para um potencial alto. A corrente de base abre o transistor Q4 e conecta o motor de direção ao terminal negativo (-3 V) da fonte de alimentação. O motor, por sua vez, ao alterar o ângulo de rotação do volante, elimina o deslocamento da superfície receptora de luz dos fototransistores em relação à linha branca. A mesma coisa acontece quando a tensão de saída do amplificador operacional excede o limite superior. O comparador no chip IC2 é acionado e liga o transistor Q3. O motor de direção agora está conectado ao terminal positivo (+3V) da fonte de alimentação e gira na direção oposta, compensando mais uma vez a guinada. Se a tensão de saída do amplificador operacional for zero, ambos os transistores, Q3 e Q4, estão desligados. Fazendo o robô Harvey Agora que completamos nossa introdução aos sistemas básicos do robô, chegamos à tão esperada etapa de construir seu próprio robô Harvey. Criar um robô exigirá um pouco mais de esforço do que a maioria dos trabalhos manuais descritos neste livro, especialmente se você usar vários materiais disponíveis. Devo admitir que simplifiquei bastante o assunto. Fui à loja de peças de rádio mais próxima no dia de Ano Novo e comprei (é melhor do que fazer sozinho) um carro de brinquedo com controle remoto que já tinha todos os componentes mecânicos prontos. Escolhi um veículo com defeito que foi devolvido à loja após as férias e estava prestes a ser jogado fora. O brinquedo não tinha uma unidade transmissora, mas todos os motores e mecanismos de controle de movimento estavam intactos e funcionando bem. Em primeiro lugar, a compra economizou muito tempo e dinheiro. Agora que estou com a consciência tranquila e confessei como consegui agilizar o trabalho de criação do robô, vamos continuar. Primeiro, remova tudo o que for desnecessário do carro. É necessário deixar apenas o chassi com rodas, o motor das rodas motrizes e o dispositivo de direção com motor próprio. O carro geralmente possui um compartimento de bateria. Se o carro for controlado remotamente, guarde o receptor e o transmissor para seus futuros dispositivos DIY. Primeiramente instale um painel com fototransistores e um LED na parte inferior e frontal do chassi do carro. De um pedaço de plástico grosso e escuro cortei um painel cujo formato é mostrado na Fig. 4. Se desejado, os fototransistores e o LED podem ser montados diretamente no chassi do veículo, proporcionando espaço suficiente entre o ponto mais baixo do chassi e quaisquer obstáculos que possam ser encontrados ao longo do caminho. Além disso, lembre-se de que quanto mais você mover o fotodetector para frente, mais sensível ele será a pequenas mudanças nas condições da estrada (deslocamento da linha branca). Se você quiser escolher um compromisso entre a velocidade de resposta do robô e sua suavidade, instale fototransistores mais próximos das rodas motrizes.
Não se esqueça de separar os fototransistores do LED. Você pode usar um pequeno pedaço de plástico ou papel opaco como veneziana. O próximo passo é montar o circuito de controle. Tal como acontece com a maioria dos dispositivos descritos neste livro, ele é montado utilizando uma placa de circuito impresso, cujo diagrama é mostrado na Fig. 5, e a colocação das peças está na Fig. 6. Verifique se todas as fontes de energia estão conectadas com segurança. Reserve um tempo para fazer isso, caso contrário o robô funcionará de forma instável. A roda motriz e os motores de direção são protegidos por correntes RC (R9, C8 e R10, C9, respectivamente). Após instalar os componentes do rádio na placa, insira-o no lugar da placa receptora do controle do rádio. Durante a montagem final, fixe os cabos do fototransistor o mais longe possível dos cabos de conexão dos motores. IC1 tem ganho muito alto e pode amplificar facilmente sinais interferentes. Caso haja necessidade de combater ruídos, utilize fio blindado para conectar os fototransistores. Há espaço suficiente no compartimento das baterias para as baterias que fornecem eletricidade ao Harvey, mas sua conexão deve ser alterada de acordo com o diagrama acima, fazendo uma torneira no ponto onde as duas baterias se conectam. Use a chave encontrada no circuito elétrico do carrinho de brinquedo. Para operar o robô é necessário um conjunto de baterias com tensão total de 9 V. Portanto, o espaço livre no compartimento da bateria pode ser utilizado para acomodar outros componentes do circuito, alguns dos quais serão discutidos a seguir. Verificação de saúde de Harvey Depois de certificar-se de que a instalação está correta, você pode prosseguir para a primeira verificação da funcionalidade do robô. Com o interruptor de alimentação desligado, coloque quatro baterias recarregáveis de níquel-cádmio no compartimento de alimentação. Depois de ligar a chave seletora, o robô deve avançar e girar. Verifique cuidadosamente o padrão de movimento do robô. A direção pode ser testada apontando uma lanterna primeiro para um fototransistor e depois para o outro. Se o sentido de rotação de algum motor estiver incorreto, inverta a polaridade de seus terminais. Agora verifique o trabalho do robô Harvey em um círculo descrito por uma faixa branca, melhor desenhada sobre um fundo preto. O raio do círculo não deve ser menor que o raio de rotação do volante. Depois de colocar Harvey na pista, ligue a energia e observe o robô se mover. Fonte de eletricidade O projeto do robô Harvey utiliza essencialmente dois sistemas optoeletrônicos que diferem nos princípios operacionais. Já tratamos de um deles (a “visão” do robô); seu funcionamento é garantido por elementos fotossensíveis (fototransistores), que controlam a corrente do motor de direção.
O outro sistema optoeletrônico do robô é uma bateria solar que mantém as baterias carregadas. É difícil de acreditar, mas Harvey “alimenta” uma quantidade muito pequena de eletricidade. Na verdade, um conjunto de baterias totalmente carregado será suficiente para proporcionar um funcionamento autônomo por aproximadamente 1 hora, após isso o robô deverá estar iluminado para retomar a operação. Se Harvey estiver ao sol, ele recarregará enquanto dirige.
Para atender às suas necessidades, são necessárias apenas 12 células solares. Embora qualquer elemento que gere 80mA ou mais de corrente possa ser usado, encontrei dois tamanhos que funcionam melhor. Uma bateria de células do primeiro tamanho padrão, mostrada na Fig. 8, composto por três elementos redondos divididos em quatro partes; essas peças são conectadas em série mantendo a disposição mostrada na figura. O resultado é uma bateria de elementos dispostos em forma de três círculos, semelhantes a uma “joaninha”. Harvey consegue uma aparência mais sólida usando 12 elementos em forma de meia-lua dispostos em linha, como mostrado na Fig. 9. O robô se torna como um inseto (centopéia ou verme) e parece deslizar quando se move. Claro, você pode fazer uma bateria com qualquer outra configuração. Você pode até tornar as tampas do robô intercambiáveis, proporcionando mais maneiras de se expressar. É importante lembrar: quanto menor a corrente de saída da célula solar, mais tempo levará para carregar as baterias. Se você usar células boas o suficiente, certifique-se de que as baterias não estejam sobrecarregadas. Consulte o Capítulo para obter conselhos. 10 para uma discussão sobre baterias de níquel-cádmio e suas características.
Equipamento adicional do robô Existem muitas maneiras de modificar ainda mais o robô. Por exemplo, um robô assume uma aparência muito impressionante se estiver equipado com um par de “olhos” brilhantes e piscantes (não confundir com “olhos” fotossensíveis reais). Um robô pode ser “ensinado” a emitir sons. Existem vários microcircuitos disponíveis para venda que geram sons em uma ampla faixa. Agora que Harvey (ou Harriette) está pronto, é hora de se divertir. E introdução à robótica! Autor: Byers T.
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