Embed Size (px)
Citation preview
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIENCIA E TECNOLOGICA DE
SANTA CATARINA - CÂMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM ELETRÔNICA INDUSTRIAL
CESAR DIAS PARENTE
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA ELETRÔNICO PARA CONTROLE DE
DIREÇÃO DO PROTÓTIPO NÁUTICO, UTILIZANDO UM ATUADOR
ELETROMECÂNICO
Florianópolis, Dezembro de 2018.
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIENCIA E TECNOLOGICA DE
SANTA CATARINA - CÂMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM ELETRÔNICA INDUSTRIAL
CESAR DIAS PARENTE
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA ELETRÔNICO PARA CONTROLE DE
DIREÇÃO DO PROTÓTIPO NÁUTICO, UTILIZANDO UM ATUADOR
ELETROMECÂNICO
Trabalho de conclusão de curso submetido
ao Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia de Santa Catarina como parte
dos requisitos para obtenção do titulo de
Tecnólogo em Eletrônica Industrial.
Professor Orientador: Flábio Alberto
Bardemaker Batista, doutor
Florianópolis, Dezembro de 2018.
��
�
��
�
��
�
RESUMO
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um protótipo que tem o
objetivo desenvolver um sistema de direção eletrônica para controle náutico, com
ênfase ao protótipo do Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC) campos
Florianópolis. O presente estudo traz dentre os tópicos na revisão de literatura
atuadores eletromecânicos, sensores eletromecânicos, microcontroladores,
atmega328p, plataforma Arduino, conversor analógico digital, modulação PWM,
inter-integrated circuit – i2c, interface serial SPI, comunicação CAN e ponte H.
Quanto a metodologia utilizada, trata-se de um estudo de desenvolvimento
experimental, do tipo exploratório. O trabalho cria uma Direção Eletrônica para a
embarcação do IFSC, sendo essa compõe a equipe Zênite Solar, que participa
anualmente do Desafio Solar Brasil, no qual o presente projeto fez parte. A
execução desta direção se deu principalmente na escolha do atuador
eletromecânico, microcontroladores e sensores, durante a construção da direção, é
apresentado desde os testes realizados até a participação do DSB. Logo, no
discorrer da pesquisa analisa-se as formas para que o objetivo seja contemplado.
Palavras-Chave: Direção Eletrônica. Atuador Eletromecânico. Protótipo
Náutico. Sensor de ângulo de Direção.
��
�
ABSTRACT
This paper presents a prototype development with the main objective to
develop a nautic electronic steering, with emphasis on Instituto Federal de Santa
Catarina’s (IFSC) prototype boat. This study topic content presents
electromechanical actuators, electromechanical sensors, microcontrolers,
Atmega328p, Arduino platform, analogic digital converter, PWM modulation, inter-
integrated circuit – i2c, SPI serial interface, CAN comunication and H bridge literature
review. As for the used methodology it is an exploratory experimental development.
The paper creates an Eletrônic Steering for the IFSC’s vessel, developed and build
by Zênite Solar team, challenger of the anual Desafio Solar Brasil, which this Project
was part of. The steering development was mainly made by the electromechanical
actuator, microcontrolers and sensors, during the steering assembly is presented all
performed tests before the DSB participation. Therefore, in the discussion of the
research forms are analysed for the goal to be contemplated.
Key-words: Eletronic Steering. Electromechanical Actuators. Prototype Nautic.
Steering Angle Sensor.
��
�
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO.................................................................................. 07
1.1 JUSTIFICATIVA................................................................................ 07
1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA .................................................................... 08
2.. OBJETIVOS...................................................................................... 09
2.1 OBJETIVO GERAL........................................................................ 09
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS............................................................. 09
3. REVISÃO DE LITERATURA............................................................ 10
3.1 ATUADORES ELETROMECANICOS............................................... 10
3.1.1 MOTOR DC....................................................................................... 10
3.1.2 ATUADORES LINEARES................................................................. 13
3.1.3 MOTORES DE PASSO..................................................................... 14
3.1.4 MOTORES BRUSHLESS................................................................. 15
3.1.5 SERVO MOTOR DC......................................................................... 17
3.2 SENSORES ELETROMECANICOS................................................. 18
3.2.1 POTENCIÔMETRO........................................................................... 18
3.2.2 ENCODER......................................................................................... 20
3.2.2.1 ENCODER INCREMENTAL.............................................................. 20
3.2.2.2 ENCODER ABSOLUTO.................................................................... 21
3.3 MICROCONTROLADORES.............................................................. 22
3.3.1 MICROCONTROLADOR ATMEGA 328P......................................... 23
3.3.2 MICROCONTROLADOR ATMEGA 328P KIT ARDUINO................. 24
3.3.2.1 CONVERSOR ANALÓGICO DIGITAL (ADC)................................... 25
3.3.2.2 MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO PWM........................... 25
3.3.2.3 INTER-INTEGRATED CIRCUIT – I2C.............................................. 26
3.3.2.4 INTERFACE SERIAL SPI.................................................................. 27
3.4 COMUNICAÇÃO CAN....................................................................... 27
3.5 PONTE H.......................................................................................... 29
4. METODOLOGIA............................................................................... 31
5. DESENVOLVIMENTO...................................................................... 32
5.1 ATUAÇÃO NO CONJUTO DE LEME E PROPULSOR.............................. 33
5.2 SENSOR DE ÂNGULO DO LEME................................................... 38
5.3 CONTROLE DO CONJUNTO DO LEME – PROJETO 1.................. 39
��
�
5.4 ÂNGULO DA DIREÇÃO - PROJETO 1............................................. 43
5.5 INTEGRAÇÃO AO PROTOTIPO NAUTICO - PROJETO 1.............. 46
5.6 CONTROLE DO CONJUNTO DO LEME – PROJETO 2.................. 50
5.7 ÂNGULO DA DIREÇÃO – PROJETO 2............................................ 57
5.8 INTEGRAÇÃO AO PROTOTIPO NÁUTICO - PROJETO 2.............. 64
5.9 PROJETO DE SENSORIAMENTO................................................... 69
6. RESULTADO.................................................................................... 73
6.1 UTILIZAÇÃO DO SISTEMA NO PROTÓTIPO NÁUTICO ZÊNITE
SOLAR..............................................................................................
74
6.2 UTILIZAÇÃO DO SISTEMA DE SENSORIAMENTO NO
PROTÓTIPO NÁUTICO ZÊNITE SOLAR.........................................
78
7. CONSIDERAÇÃO FINAL................................................................. 81
REFERÊNCIA................................................................................... 82
��
�
1. INTRODUÇÃO
Segundo o jornal digital (Diário do Nordeste, 2016) o segmento náutico
deverá crescer em torno de 5% ao longo do próximo ano, conforme estimativa do
diretor técnico do São Paulo Boat Show - maior salão náutico indoor da América
Latina, Marcio Dottori. O crescimento náutico é interessante para Santa Catarina
devido à existência de 48 empresas no estado, sendo estas responsáveis pela
construção de embarcações de esporte e lazer, representando 13,45% do total de
empresas do país e também o segundo maior estado na produção de embarcações
sendo responsável por 32% dos empregos gerados do setor, como afirma a revista
on-line (G1-SANTA CATARINA, 2016).
Infere-se, portanto que, o crescimento náutico trás consigo a grande
competitividade por tecnologias de ponta. A capacidade de inovar é decisiva para
uma empresa em acessão ou em manutenção no mercado, sendo assim
imprescindível a utilização de tecnologias de ponta que visam à melhoria e
sofisticação do transporte (CALMANOVICI, 2011; PEREIRA; LAURINDO, 2007).
Como base de estudo, utiliza-se o protótipo náutico criado pelo Instituto
Federal de Santa Catarina (IFSC), no qual observa-se uma pontual dificuldade
perante a direção deste. Com o objetivo principal a resolução da problemática,
estima-se que o projeto de inicio a possibilidades tecnológicas futuras como:
navegação autônoma, estabilidade de direção, como também na prevenção de
acidentes náuticos.
O protótipo náutico do IFSC é nomeado Guarapuvu II, da equipe nomeada de
Zênite Solar, composto por uma equipe de alunos de diversos cursos do instituto. O
Zênite participa anualmente do Desafio Brasil Solar (DSB) que se trata de uma
competição universitária de rali de barcos movidos a energia solar visando o
desenvolvimento de tecnologias sustentáveis baseadas em energias limpas e com
maior eficiência para o transporte náutico.
1.1 JUSTIFICATIVA
�
�
Do notório avanço tecnológico, até a elevada procura por embarcações de
conforto e segurança, motiva o mercado a direcionar maiores estudos e
investimentos a área. Segundo Moura e Botter (2010) a latente demanda por
embarcações gera não só a criação de novos modelos como também a
modernização de seus objetos de luxo, sendo essencial utilizar-se da criatividade
para melhorar métodos, assim como lançar novos produtos no mercado visando
adaptar-se às mudanças referente a tecnologia empregada no processo.
Logo, o projeto almeja alcançar a melhoria na direção da embarcação de
competição do Instituto Federal de Santa Catarina, utilizando das tecnologias
eletrônicas já existentes em mercado, desta forma criando um circuito eletrônico
microcontrolado.
1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA
Sob a ótica atual, a embarcação do Instituto Federal de Santa Catarina dispõe
de um mecanismo de polias e cabos para a realização do controle de direção, onde
a direção é mecanicamente acoplada em uma polia que quando virada faz com que
um dos cabos estique, assim puxando a polia que está na popa acoplada no
conjunto leme e propulsor, como se observa na figura 01.
FIGURA 01 – Direção mecânica do protótipo náutico de competição do
IFSC.
Fonte: Autor.
Neste viés, o protótipo náutico do IFSC Florianópolis apresentava dificuldades
em dirigibilidade, devido a isso, o projeto visa não somente a melhoria, mas também
elevar o conforto do mesmo, utilizando-se de tecnologias de sensores e atuadores.
�
�
Desta forma gera novos campos para estudos, como projetar barcos autônomos,
estabilidade na navegação e até evitar acidentes de embarcações.
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral
Desenvolver um sistema de direção eletrônica para controle náutico, aplicada
ao protótipo do Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC) campos Florianópolis.
2.2 Objetivos Específicos
• Estudar atuadores e sensores de direção para aplicação no sistema de
direção eletrônica do barco solar;
• Projetar o sistema de controle, empregando um controlador para o calculo de
direção, definindo atuadores e sensores;
• Montar o protótipo completo, incluindo sensores, atuadores e controlador;
• Testar o sistema ao todo para a identificação de possíveis falhas;
• Integrar sistemas elétricos, eletrônicos e mecanicos elaborados no protótipo
náutico.
���
�
3. REVISÃO DE LITERATURA
Este capítulo apresenta uma revisão narrativa onde o método de busca
garante um resultado amplo, gerando a análise da literatura científica na
interpretação e julgamento crítico do autor. Neste viés, a seleção dos artigos é
arbitrária, ou seja, não exige um protocolo rígido para sua confecção e a busca das
fontes não é pré-determinada ou específica (VOSGERAU; ROMANOWSKI, 2014).
Nesta perspectiva, inicialmente é feita uma exposição sobre os atuadores
eletromecânicos e sensores para uma adequada escolha. Posteriormente, são
apresentados detalhes sobre microcontroladores e seus recursos utilizados, como
protocolos, periféricos e linguagem de programação.
3.1 ATUADORES ELETROMECÂNICOS
Conforme Zamaia (2016), são chamadas de motores elétricos, máquinas
elétricas rotativas que convertem energia elétrica em energia mecânica, quando tem
a transformação de energia mecânica para elétrica chama-se de geradores elétricos.
Com diversas formas, máquinas elétricas rotativas são conhecidos por
diversos nomes: CC, síncronas, de imã permanente, de indução, de relutância
variável, de histerese, sem escovas, e assim por diante. (UMANS, 2014)
O propósito de tal análise, visa observar alguns parâmetros e qualidade de
cada maquina para a melhor escolha no projeto ao todo.
3.1.1 MOTOR DC
Motores de Corrente Continua (CC) ou de Corrente Direta (DC) são motores
amplamente utilizados, possuem diversas características de enrolamento de campo,
excitados em derivação, serie ou independente, assim, convertendo energia elétrica
em energia mecânica de giro. Utilizados em varias aplicações em aparelhos
eletrodomésticos como as batedeiras, centrifugas, máquinas de lavar roupa e em
pressurizador de chuveiro. (SPARTANO, 2006)
���
�
Evidencia-se na indústria automobilística bombas de gasolina para motores a
combustão, limpadores de para-brisas automotivos, motor de abertura de vidro e
travas elétricas das portas como esboça a figura 02. (BATTEZATI, 2014) Neste
mesmo rumo, está a indústria náutica, apresentando bomba de porão em
embarcações, motores de propulsão elétricos para pequenas embarcações, entre
outras várias aplicações.
FIGURA 02 – Motores elétricos CC em automóveis.
Fonte: BATTEZATI, 2014.
Motor DC possui basicamente duas estruturas: o estator, onde se encontra o
enrolamento de campo, que possui dois tipos, sendo o primeiro composto de uma
estrutura ferromagnética e polos salientes aos quais são enroladas as bobinas que
formam o campo, o segundo composto de imã permanente, sendo composta de
bobinas conectadas em conjunto, a estrutura conhecida como rotor localiza-se o
enrolamento de armadura. Para obter corrente nas bobinas, utiliza um comutador
com escovas. (UMANS, 2014)
Observa-se na figura 03 o desenho simplificado de um motor DC de
dois polos com enrolamento de campo composto de imã permanente.
���
�
FIGURA 03 – Maquina CC com comutador.
Fonte: UMANS, 2014.
Através da figura 04 que é um desenho esquemático simples de um motor DC
com estator composto de imã permanente e o rotor com uma bobina, observa-se o
funcionamento de maneira simplificada.
FIGURA 04 – Desenho simplificado do principio de funcionamento do motor
DC.
Fonte: SPARTANO, 2006.
���
�
Inicialmente na situação ilustrada (a), a bobina apresenta-se horizontal, com
aplicação de uma fonte DC na mesma, gera um campo magnético de atração aos
polos dos imãs permanentes, gerando um torque no sentido anti-horário. Na
situação ilustrada (b), a bobina continua sofrendo aceleração angular e continua o
giro. Chegará um ponto onde os polos da bobina alcançam os polos opostos dos
imãs permanentes como mostra na situação ilustrada (c), neste momento é feito
uma inversão da corrente na bobina para que continue o torque, como se analisa na
situação ilustrada (d).
3.1.2 ATUADORES LINEARES
Os atuadores lineares são dispositivos que convertem o movimento rotacional
de um motor em movimento linear de puxar ou empurrar. Para gerar movimentos
lineares esse tipo de mecanismo possui movimentos rotacionais no eixo do fuso,
normalmente gerados por motores elétricos. Assim, ganhando mais espaços por ter
um tamanho reduzido comparado com os atuadores do mesmo recurso, como
atuadores hidráulicos e pneumáticos (MARTINS, 2016).
FIGURA 05 – Pistão linear com motor elétrico DC.
Fonte: MARTINS, 2016.
���
�
FIGURA 06 – Modelo esquemático de um atuador linear.
Fonte: MARTINS, 2016.
Observando as figuras 05 e 06, o funcionamento do atuador linear segundo
Martins (2016), se dá da seguinte forma:
O motor elétrico transmite um torque �� que é convertido na velocidade angular ��. A velocidade de rotação é transmitida às engrenagens e, posteriormente, ao parafuso de potência. Observa-se que a velocidade angular �� na engrenagem A, com �� dentes, é a mesma velocidade do eixo do motor ��. A transmissão da engrenagem A para engrenagem B1, com ��1 dentes, é ��−�1=����1���������������� ������2 dentes, possui a mesma velocidade angular de B1. A razão de transmissão das engrenagens B2 para C, sendo este último com �� dentes, é ��2−�=��2���. O parafuso de potência d possui uma velocidade angular ��. Acoplada a haste do atuador, o movimento da rosca de transporte torna-se linear com velocidade �. Esta possui a relação �=12�� , onde p é o passo do parafuso e Ne, o tipo de rosca. A razão total de transmissão do sistema é dado por �=���−�1��2−���.
3.1.3 MOTORES DE PASSO
Motores de passo giram em etapas discretas, diferentemente dos motores
que giram continuamente quando energizados. Considera-se este uma espécie de
motor especial, já que, possui um melhor controle de ângulo, muito usado em
dispositivos computadorizados como drivers, CDRom, máquinas de precisão.
O funcionamento de um motor de passo é descrito simplesmente por um imã
atraído sequencialmente por polos de diversos eletroímãs estacionários, como se
analisa na figura 07.
���
�
FIGURA 07 – Figura demonstrativa de funcionamento do motor de passo
Fonte: SPARTANO, 2006.
3.1.4 MOTORES BRUSHLESS
Motores Brushless, também chamados de Brushless de Corrente Direta
(BLDC), são motores que se assemelham frente aos seus princípios com motores
síncronos. A diferença entre eles é que o BLDC trabalha com uma fonte DC e um
circuito eletrônico de comando para comutar as fases no estator, desta maneira
realizando o giro do motor, já o síncronos recebem energia trifásica no estator e
fornecem energia mecânica no eixo (SPARTANO, 2006).
Há BLDC de fase simples, duas fases e três fases. Na figura 08 exemplifica o
motor brushless em perspectiva explodida, desta forma nota-se as partes que
compõem o conjunto.
���
�
FIGURA 08 – Vista explodida de um motor BLDC com 3 fases.
Fonte: SPARTANO, 2006.
Para o acionamento do motor usa-se um inversor de fase. O inversor de fase
para um motor de três fases terá seis etapas de comutação e o intervalo de
condução é de 120° elétricos (SPARTANO, 2006).
Na figura 09 observa-se as seis etapas de comutação e como é feito o
acionamento de cada fase nas etapas.
FIGURA 09 – Acionamento das fases em sua respectiva etapa de
comutação.
Fonte: SPARTANO, 2006.
���
�
3.1.5 SERVO MOTOR DC
Servo motor DC é uma máquina eletromecânica que possui um movimento
proporcional ao comando que nele é feito, diferentemente dos motores DC que não
possuem um controle efetivo de posição de ângulo do eixo. Logo, o servo motor DC
caracteriza-se por dispositivos que possuem malha fechada. Este dispositivo recebe
um sinal de controle, realiza a leitura de posição atual utilizando de um sensor e atua
para a posição desejada com um motor DC (FERREIRA; ALVES, 2013).
O sistema atuador do servo motor DC possui um motor de corrente continua,
contudo há outros sistemas de atuação utilizados com funções que se assemelham,
como os motores de passo e os motores BRUSHLEES. Acopladas aos motores
existe a caixa de redução, desta maneira gerando um torque maior e velocidade
reduzida. Assim consegue-se servo motores de variadas funções, variados torques e
variadas precisões (FERREIRA; ALVES, 2013).
Basicamente servo motores possuem quatro componentes básicos, sistema
de atuador, sistema de sensor, o sistema mecânico de engrenagens e o sistema de
controle:
O sistema de atuador converte a energia elétrica em energia mecânica, sendo
dele a responsabilidade de mover as engrenagens que compõem o eixo do servo
motor, conforme mostra a figura 10.
FIGURA 10 – Partes de um servo motor
Fonte: ZAMAIA, 2016.
O sistema de sensor detecta o ângulo que se encontra o eixo, assim
realimentando o sistema ao todo. Normalmente encontra-se potenciômetros para
��
�
essa tal função, porém encontra-se vários tipos de sensores, como encoder, encoder
incremental, encoder absoluto, potenciômetro multivoltas, entre outros modelos de
sensores rotativos.
O sistema mecânico de engrenagens serve para transmitir o movimento de
força de um eixo para o outro, podendo inverter o sentido da rotação, ou mesmo
alterar o numero de rotações entre eles. A utilização deste sistema dentro de um
servo motor serve para diminuir a rotação do eixo e aumentar o torque efetivo do
sistema ao todo. Outra função é transmitir o movimento do eixo até o sensor de
rotação.
O sistema de controle interliga eletricamente os componentes internos, como
o motor, sensores e o comando externo. Normalmente são controles criados com
sistemas eletrônicos utilizando circuitos integrados exclusivos para tal sistema,
podendo ter microcontroladores para o mesmo fim. Para ajustar o posicionamento
adequado do seu eixo, o circuito de controle recebe o sinal externo, o qual informa a
posição desejada através do sinal do sensor de ângulo acoplado ao eixo, e por fim
atua no motor.
3.2 SENSORES ELETROMECÂNICOS
Dispositivos compostos de componentes elétricos e mecânicos, os sensores
eletromecânicos, interagem e transmitem informações ou comandos a outros
sistemas. Hoje em dia há inúmeros modelos e tecnologias, por ser ele o responsável
por análise de determinada condição do ambiente externo, como temperatura,
rotação, pressão ou até mesmo algo de maior complexidade como sensores de
partículas subatômicas.
3.2.1 POTENCIÔMETRO
Também conhecido como resistor variável, normalmente utilizado em circuitos
que carecem de valores diferentes de resistência no mesmo circuito. O
potenciômetro aplica ajustes de potência em equipamentos de áudio, na calibração
e ajustes finos em equipamentos de medição, nos circuitos de dimmers para
variação de luminosidade, entre outras várias aplicações (MELLO, 2016).
��
�
Desta forma, seu funcionamento baseia-se na variação da resistência
conforme o movimento de seu eixo, gerando movimentos gradativos (MELLO, 2016).
A figura 11 a seguir mostra um potenciômetro circular.
FIGURA 11 – Potenciômetro circular.
Fonte: KILIAN, 2000.
Sob uma ótica de mecânica linear, mas com a tecnologia semelhante ao
potenciômetro circular, existem as réguas potenciométricas, como observa-se na
figura 12.
FIGURA 12 – Potenciômetro linear.
Fonte: KILIAN, 2000.
Os potenciômetros possuem alguns problemas referentes a erros de
linearidades e erro de carregamento. O erro de linearidade se da em função da
construção física do componente, tendo diferença de componente para componente.
Na figura 13 observa-se em gráfico o erro. (KILIAN, 2000)
���
�
Figura 13 – Erro de linearidade.
Fonte: KILIAN, 2000.
3.2.2 ENCODER
Os Encoder são componentes que realizam leituras de rotação, sendo
angular ou velocidade, gerando como saída pulsos ou codificação digital de bits em
paralelo.
Há dois tipos de Encoder óticos: Encoder Incremental e Encoder Absoluto.
3.2.2.1 ENCODER INCREMENTAL
Kilian (2000) traz como um componente simples, quando comparado a
família. O Encoder incremental tem em sua composição apenas uma trilha de dentes
igualmente espaçados, tendo um LED transmissor e fotosensor como receptor para
a leitura de posição.
O funcionamento se dá quando há uma rotação no eixo, os dentes passam
entre o transmissor e o receptor, realizando uma alternância entre o feixe de luz no
receptor, como mostra a figura 14. Desta forma consegue fazer a medição de
velocidade de rotação (KILIAN, 2000).
���
�
Figura 14 – Encoder Incrementar
Fonte: KILIAN, 2000.
Com a necessidade do sentido de rotação, foi adicionado ao componente
mais um LED transmissor e um fotosensor. Na figura 15 nota-se como ficam
localizados os fotosensores e os sinais que os mesmos formam.
Figura 15 – Encoder incremental com sentido de rotação.
Fonte: KILIAN, 2000.
3.2.2.2 ENCODER ABSOLUTO
Possuindo um disco com material translúcido, podendo ser vidro, acrílico ou
plástico, estampado com um padrão de trilhas concêntricas conforme a figura 16.
Em cada trilha há um feixe de luz individual para iluminar os fotosensores (KILIAN,
2000).
���
�
Figura 16 – Trilhas concêntricas estampadas nos discos.
Fonte: KILIAN, 2000.
Cada posição deste componente é única, sendo uma vantagem igualmente
vista nos potenciômetros. Porém esta vantagem causa um custo alto para o
componente, pois necessita de uma alta precisão do alinhamento dos componentes.
A falta do alinhamento causa erro de leitura, perdendo a confiabilidade do mesmo
(KILIAN, 2000).
3.3 MICROCONTROLADORES
Segundo Lima e Villaça (2012) um microcontrolador possui um
microprocessador com memorias de programas, de dados e RAM. Resumidamente
um microprocessador com os periféricos (funcionalidades) dispostos em um mesmo
chip.
Pode encontrar nos microcontroladores algumas funcionalidades, tais como
declaram Lima e Villaça (2012):
Dentre as funcionalidades encontradas nos microcontroladores pode-se citar: gerador independente de clock (não necessita de cristal ou componentes externos); memoria SRAM, EEPROM, e flash; conversores analógicos-digitais (ADCs), conversores digitais-analógicos (DACs); vários temporizadores /contadores; comparadores analógicos; saídas PWM; diferentes tipos de interface de comunicação, incluindo USB, USART, I2C,CAN,SPI, JTAG, Ethernet; relógio de tempo real; circuito para gerenciamento de energia no chip; circuitos para o controle de inicialização (reset); alguns tipos de sensores; interface para LCD; e outros periféricos de acordo com o fabricante.
���
�
3.3.1 MICROCONTROLADOR ATMEGA 328P
O microcontrolador Atmega 328p apresenta a maioria das características da
família AVR, sendo compacto, com uma memoria flash de maior tamanho
comparado aos outros da mesma família, possuindo o mesmo numero de pinos.
(LIMA; VILLAÇA, 2012)
Segue algumas características deste microcontrolador:
• Microcontrolador de baixa potência, com arquitetura RISC
avançada.
• 131 instruções, a maior parte executada em 1 ou 2 ciclos de
clock (poucas em 3 ou 4 ciclos).
• 32 registradores de trabalho de propósito geral (8 bits cada).
Alguns trabalham em par para endereçamentos de 16 bits.
• Operação de até 20 MIPS a 20 MHz.
• Multiplicação por hardware em 2 ciclos de clock.
• 32 kbytes de memória de programa flash de auto programação
In-System (8 k, 16 k, nos respectivos ATmega88 e ATmega168).
• 1 kbytes de memória EEPROM. 2 kbytes de memória SRAM.
• Ciclos de escrita e apagamento: memória flash 10 mil vezes,
EEPROM 100 mil vezes.
• Seção opcional para código de boot para programação In-
System por boot loader6.
• Bits de bloqueio para proteção contra a cópia do firmware.
• Tensão de operação: 1,8 - 5,5 V.
• Consumo de corrente a 1 MHz (1,8 V, 25 ºC): modo ativo = 0,2
mA e modo Power-down = 0,1 µA.
Possui os seguintes periféricos:
• Vinte e Três entradas e saídas (I/Os) programáveis.
• Dois Temporizadores/Contadores de oito bits com Prescaler
separado, com modo de comparação.
• Um Temporizador/Contador de dezesseis bits com Prescaler
separado, com modo de comparação e captura.
���
�
• Contador de tempo real (com um cristal externo de 32,768 kHz
conta precisamente um segundo).
• Seis canais PWM.
• Oito canais AD com resolução de dez bits na versão TQFP (Thin
profile plastic Quad Flat Package) e seis canais na versão PDIP
(Plastic Dual Inline Package).
• Interface serial para dois fios orientada a byte (TWI), compatível
com o protocolo I2C.
• Interface serial USART.
• Interface serial SPI Master/Slave.
• Watchdog Timer com oscilador interno separado.
• Um comparador analógico.
3.3.2 MICROCONTROLADOR ATMEGA 328P KIT ARDUINO
Na procura por um meio barato de tornar mais fácil para os estudantes de
design trabalhar com tecnologia, o professor Massimo Banzi, criara o arduino na
cidade de Ivrea-Itália, mais precisamente no Interaction Desing Institute. A primeira
placa teve seu nome Arduino em referéncia a um bar local frequentado por membros
do corpo docente e alunos do instituto.
Logo o grande público percebeu que o Arduino possui um sistema de fácil
utilização e de baixo custo, podendo ser usado em seus projetos. Sendo uma
excelente introdução a programação de microcontroladores, sua popularidade
cresceu rapidamente, desta forma existe um número diferente de versões de placas,
como o ARDUINO UNO, ARDUINO DUEMILANOVE, ARDUINO ETHERNET,
ARDUINO MEGA, ARDUINO NANO, LILYPAD ARDUNO e muitas outras. Na figura
17 observa-se os dois modelos de placa mais comumente utilizadas.
���
�
Figura 17 – Arduino UNO e Arduino NANO
Fonte: www.arduino.cc
3.3.2.1 CONVERSOR ANALÓGICO DIGITAL (ADC)
Segundo Lima e Villaça (2012) conversores analógicos-digitais são sistemas
imprescindíveis, pois fazem a interpretação de grandezas analógicas e o controle de
variáveis externas. Os microcontroladores atualmente trazem esses tipos de
conversores incorporados, desta maneira tornando os projetos que necessitam ler
variáveis analógicas mais facilmente criadas.
Características do conversor AD do ATmega328P:
• Dez bits de resolução (1024 pontos).
• Precisão de +- 2 LSBs (bits menos significativos).
• Tempo de conversão de 13 ate 260 �s.
• Ate 76,9 kSPS (kilo Samples Per Second), 15 kSPS na resolução máxima.
• Seis canais de entrada multiplexados (+2 nos encapsulamentos TQFP e
QFN/MLF).
• Faixa de tensão de entrada de 0 ate VCC.
• Tensão de referência selecionável de 1,1 V.
• Modo de conversão simples ou continua.
• Interrupção ao término da conversão.
• Eliminador de ruído para o modo Sleep.
• Sensor interno de temperatura com +- 10 C° de precisão.
3.3.2.2 MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO PWM
���
�
Motores, lâmpadas, LEDs, fontes chaveadas e inversores são dispositivos
eletrônicos que podem ser controlados a partir da geração de sinal PWM. Sinais
como estes, baseiam-se em uma média de onda periódica. O PWM digitalmente usa
de um intervalo de tempo determinado em que o sinal fica em nível lógico alto ou
baixo, desta forma, alterando o valor médio e obtendo um controle do sinal. O
intervalo de tempo é chamado de ciclo ativo (Duty Cycle). Na figura 18 pode-se
observar o funcionamento do PWM de 0 ate 100%.(LIMA; VILLAÇA, 2012)
FIGURA 18 – PWM com largura de pulso em 0, 25%, 50%, 75% e 100%
Fonte: LIMA; VILLAÇA, 2012.
Para cálculo do valor médio, utiliza-se a equação:
3.3.2.3 INTER-INTEGRATED CIRCUIT – I2C
O protocolo Inter-Integrated Circuit (I2C) foi criado pela Philips
Semicondutores, com o intuito de transmitir dados de forma digital, utilizando apenas
duas linhas para realizar as transmissões: a SDA (linha de serial de dados) e SCL
(linha serial de clock). A comunicação I2C obtém um clock de 100kHz, já a
transmissão de dados entre o mestre e o escravo inicia através da transição do sinal
SDA para nível baixo, mantendo-se o SCL em nível alto e atinge-se o encerramento
com a transição do sinal SDA para nível alto mantendo o SCL também em nível alto
(FÖRSTER JUNIOR; SILVA, 2014; SCHLAG, 2017).
���
�
Frente a transmissão de dados, essa se dará somente no intervalo em que o
sinal SCL estiver em nível baixo. A transmissão de bytes (8 bits) sempre encerra-se
com um bit de reconhecimento (ACK) e estabelecido pelo dispositivo escravo.
Assim, quando o dispositivo mestre recebe o ACK, significa que o dispositivo
escravo está pronto para receber outro byte (SCHLAG, 2017).
3.3.2.4 INTERFACE SERIAL SPI
A comunicação serial SPI (Serial Peripheral Interface), um padrão que opera
em full duplex, utilizada por uma infinidade de circuitos, foi criada pela Motorola.
Exemplo os conversores DAs e ADs, memorias flash e EEPROM, relógios de tempo
real, sensores de temperaturas, sensores de pressão, potenciômetros digitais, LCDs
e telas sensíveis ao toque.
Dispositivos que utilizam desta comunicação, classificam-se como mestre e
escravos, sendo um protocolo muito simples, não se limitando em palavras de 8 bits,
havendo a possibilidade de encaminhar mensagem de diversos tamanhos,
conteúdo e finalidade arbitrária. Há quatro vias para esta comunicação, a MOSI
(Master Out – Slave In): saída de dados do mestre, entrada no escravo; a MISO
(Master In – Slave Out): entrada de dados no Mestre, saída do escravo; a SCK:
clock serial, gerado pelo mestre; e a SS� (Slave Select) - seleção do escravo, ativo
em zero (LIMA; VILLAÇA, 2012). A Figura 19 exemplifica a comunicação SPI como
um escravo.
��
�
Figura 19 – Comunicação SPI com um escravo.
Fonte: LIMA; VILLAÇA, 2012.
3.4 COMUNICAÇÃO CAN
Com o intuito de simplificar os complexos sistemas de fios elétricos em
veículos, a empresa BOSH na Alemanha desenvolveu o protocolo CAN (Controle
Area Network), sendo o seu principal objetivo na indústria automobilística.
Dependendo da necessidade, os módulos que usam o protocolo de
comunicação CAN podem se tornar em um determinado tempo mestre ou escravo,
sendo baseado no conceito multi-mestre, ainda tendo a possibilidade de mandar um
conjunto de pacotes para um determinado conjunto de receptores, sendo assim
enviados em regime multicast.
A figura 20 mostra a comparação entre sistema sem comunicação CAN e com
a comunicação.
Figura 20 - Comparação Entre Sistemas.
Fonte: SANTOS, 2017.
��
�
Utiliza-se como meio físico para o protocolo CAN um par de fios trançados e
não blindados, existem redes baseadas em 2 e 4 fios. Trabalham com os sinais de
dados CAN H (CAN HIGH) e CAN L (CAN LOW), onde no barramento com 4 fios
além dos sinais de dados aparecem um fio com o VCC e outro com o GND. A figura
21 representa um barramento CAN de somente dois fios.
Figura 21: Barramento CAN.
Fonte: SANTOS, 2017.
Utilizando a analise da diferença de potencial entre as linhas de sinais, CAN H
e CAN L, há uma forte atenuação dos efeitos de interferência eletromagnética, pois
uma vez que qualquer perturbação eletromagnética venha a pegar no sistema,
causa uma flutuação nos dois sinais, de mesma intensidade e sentido.
Um sistema de rede de dois fios half duplex de alta velocidade denomina-se
CAN. Sendo esta uma tecnologia muito superior a tecnologias seriais convencionais,
como o RS232, quanto a funcionalidade e confiabilidade. Logo, sendo a maior
vantagem do CAN.
O CAN gera uma quantidade reduzida de fiação, junto a prevenção
engenhosa de colisão de mensagens. Assim, garantindo que durante a transmissão
das mensagens, nenhum dado será perdido.
3.5 PONTE H
Há diversas soluções quanto ao controle do motor DC, a ponto H por sua vez
é a mais rotineiramente utilizada, já que realiza o controle de velocidade e de sentido
de giro.
A topologia do circuito tem como origem do nome, pois quando montado
lembra a letra H, como observa-se na figura 22 (SOUZA, 2010).
���
�
Figura 22 – Ponte H
Fonte: SOUZA, 2010.
Observando a Figura 22, nota-se que a topologia trabalha com quatro chaves,
podendo ser eletromecânicas (relê) ou eletrônicas, como os MOSFETs, transistores
bipolares e TRIACs. Com a atuação de um par de chaves, gera uma tensão nos
polos do motor, assim acionando o mesmo. Quando as chaves S1 e S4 estão
acionadas, o motor desloca seu eixo para um sentido e quando S2 e S3 são
acionadas, o motor desloca para o sentido oposto. Com essa configuração obtém-se
a inversão do motor quando necessário e o controle de velocidade aplicando em
uma das chaves do par acionado a modulação PWM.
���
�
4. METODOLOGIA
Trata-se de um estudo de desenvolvimento experimental, ou seja, refere-se
a um trabalho rigoroso, que utiliza conhecimentos que decorrem da pesquisa ou da
experiência prática objetivando a criação de novos materiais, equipamentos, politicas
e comportamentos (KINCHESCKI; ALVES; FERNANDES, 2015).
O estudo é do tipo exploratório buscando proporcionar mais familiaridade
com q problemática, uma vez que se reconhece o objeto de estudo (KINCHESCKI;
ALVES; FERNANDES, 2015).
De acordo com a metodologia apresentada, são propostos hardwares e
firmwares dos módulos, tendo em vista a elaboração de um novo método de direção
do protótipo náutico.
O ponto de partida foi a escolha do atuador eletromecânico e o sensor de
ângulo, sendo possível a escolha dos componentes que atuaram sobre eles.
Elabora-se as placas de circuito impresso para que haja a interligação eletrônica dos
circuitos. Por fim, cria-se métodos para minimizar os impactos nos circuitos
causados por um ambiente critico, como proteções das conexões elétricas e a
escolha dos conectores resistente ao meio, local de armazenamento das placas,
utilizando de resina de silicone e a escolha do material dos cabos de comunicação.
Com a finalização do projeto, espera-se a fixação do mesmo no protótipo
náutico a fim de testa-lo fora das bancadas e obter os resultados esperados.
���
�
5. DESENVOLVIMENTO
Objetivando a análise das tecnologias adequadas para cada ponto do
sistema, empregou-se para as escolhas dos componentes a serem utilizados, tanto
sua eficiência, aquisição em mercado e custos. Verifica-se no diagrama de blocos da
FIGURA 23 o sistema ao todo e os componentes a serem observados.
Figura 23 – Diagrama de Blocos
Fonte: Autor
O presente projeto tem fortes dependências da embarcação Zênite Solar,
sendo ela uma combinação de sistemas eletrônicos e mecânicos, de criação de um
grupo de estudos. Assim, sendo necessários alguns requisitos e especificações a
serem seguidas, que foram definidos juntamente com o orientador e a equipe Zênite
Solares.
• Consumo das baterias ou bateria auxiliar.
• Menor peso possível.
���
�
• Controle efetivo da direção, sendo que substituiria a direção mecânica
por completo, tendo possibilidades de uma melhora na estabilização do
barco Zênite.
• Custo acessível.
• Precauções em função do ambiente insalubre, por possuir uma
extrema umidade, vibrações, oxidação e temperaturas elevadas.
• Disponibilidade dos componentes.
5.1 ATUAÇÃO NO CONJUTO DE LEME E PROPULSOR
Como ponto de partida, deve-se verificar o atuador eletromecânico, para fazer
o giro do conjunto leme e propulsor, desta forma alterando a direção que o barco irá
seguir. O propósito de tal análise, visa observar alguns parâmetros mais adequados,
como força, velocidade de giro, custo dos materiais.
Para o estudo destes parâmetros foram empregadas informações de testes
previamente realizadas através da equipe responsável pela mecânica do protótipo
náutico. Assim, um teste de força na direção, onde o piloto principal do barco realiza
uma força como se estivesse pilotando, tendo o conjunto de leme e propulsor preso
e com um dinamômetro entre o cabo de aço, verificou-se no painel do mesmo uma
força de 14 Kg. A polia que compõem no leme e propulsor, tem um diâmetro de 14
cm, como mostra na figura 24.
Figura 24 – Medindo força no cabo da direção mecânica.
Fonte: Autor
���
�
O conjugado (também chamado torque, momento ou binário) é a medida do
esforço necessário para girar o eixo do leme propulsor. Na prática verificou-se que,
com um processo muito utilizado em poços, conforme mostra à figura 25, a força
aplicada na manivela F depende do comprimento E da base da manivela. Quanto
maior a base, menor será a força necessária ne mesma. Dobrando o tamanho E da
base, a força necessária F será à metade (WEG, 2016).
Figura 25 – Exemplo de um poço.
Fonte: WEG, 2016
Para calcular o torque produzido no eixo usa por definição que C = F . r , onde
C é o conjugado (torque) em N.m, F é força em Newtons e R é o raio da polia.
� � �� ��� � ��� ����������� � �� � ���������������� � ������� � ��� � ������ � �������
De acordo com calculado, provou-se que o torque mínimo necessário para
determinar o atuador é de 9,8 N.m (Newtons por metro).
A identificação do ângulo máximo de giro que o conjunto do leme e propulsor
atua na embarcação, gerou uma discussão em conjunto com a equipe de mecânica
do protótipo, assim, foi definido um total de giro de 180 graus, sendo 90 graus para
ambos os lados, como exemplifica a Figura 26.
���
�
FIGURA 26– Ângulo máximo de giro do eixo
Fonte: Autor
O tempo total que o conjunto terá que se movimentar de um lado para o outro,
destaca-se como um ponto a ser analisado, já que idealiza ter um menor tempo
possível. Contudo , quando se precisa de um tempo menor, tem que ter um atuador
eletromecânico com uma potência elevada.
Determinou-se então, um tempo total de no máximo dois segundos, para que
o tempo de giro de direção do barco esteja adequada, e não interfira na dirigibilidade
do protótipo náutico.
Com os parâmetros desejados e verificando os custos dos motores estudados
optou-se, então, pelo de menor custo, o motor DC 12 V. Em primeiro contato utilizou-
se um motor de limpador de para-brisa de automóvel, por possuir um torque alto e
uma caixa de redução integrada, como se constata na Figura 27.
FIGURA 26 – Motor de limpador de para-brisa de automóvel.
Fonte: Autor
���
�
Motor BOSCH, porém não possuía muitas informações do mesmo, com isso
realizou-se testes com eixo livre, verificando uma rotação de 70 RPM e com o motor
com o eixo trancado, chegou a uma corrente de alimentação em 38 Amperes. Com
essas informações procurou-se um datasheet mais próximo possível, como mostra a
figura 27.
FIGURA 27 – Datasheet motor BOSCH modelo CEP 9390453042
Fonte: https://www.casaferreira.com.br/index.php/motores-bosch/motor-
bosch-cep-9-390-453-042-12v-75rpm.html.
Juntamente com a equipe responsável pela mecânica do barco, foram
realizados estudos frente à nova tecnologia a ser inserida no Zênite Solar. As
fixações do motor elétrico, sensor de posição, redução, correia de conexão com o
eixo do leme formam as principais estruturas mecânicas. Logo, a equipe fez o
projeto individualizado da estrutura do Zênite Solar, podendo ser retirado quando
necessário.
Após testes com diversos motores e reduções mecânicas, elencou-se os que
melhores se desempenharam junto ao projeto, assim sendo o motor DC da marca
CIM FR801 e uma redução mecânica do tipo fuso/engrenagem com uma relação de
���
�
56:1, sendo que a cada 56 voltas no eixo de entrada da redução, terá uma volta no
eixo de saída. O motor em sua máxima eficiência alimentado com 12v, proporciona
4600rpm e 0,32Nm com 19 amperes.
Para uma correta adequação ao sistema, introduziu-se um primeiro estágio
que reduz em 2:1 através de correia e coroa sincronizada, próximo estagio possui
uma redução de 1,4:1, essa conexão é feita através de corrente de aço e para alocar
a rotação a caixa de redução e por fim a caixa de redução em fuso com 56:1. Tal
sistema de redução ampliou o torque do motor para 50Nm deixando uma excelente
margem de segurança, gerando uma redução total de 157:1, ou seja, a rotação
passou de 4600 rpm para 30 rpm.
A base para apoio do motor e redução foi fabricada em aço inox e alumínio,
sendo possível regular com facilidade a correia e corrente da transmissão.
Ilustrado na figura 28, a fixação do sensor, motor e redução.
FIGURA 28 – Fixação do motor, sensor e redução na popa do barco Zênite.
Fonte: Autor
Sob a ótica da atuação do leme, a tecnologia dos servomotores nos deu uma
indicação de quais componentes poderiam ser utilizados, uma vez que são
compostos por atuador, sensor de ângulo e microcontrolador, conforme ilustra a
figura 29.
��
�
FIGURA 29 – Partes de um servo motor
Fonte: ZAMAIA, 2016.
5.2 SENSOR DE ÂNGULO DO LEME
Para uma adequada atuação de controle do leme, utiliza-se a informação do
ângulo atual do leme para gerar uma atuação no motor DC. Os parâmetros
principais a serem observados são, o ângulo máximo de giro do leme, o alcance de
ângulo, resolução, valor e resistência do componente ao ambiente crítico. Como
descrito anteriormente, o ângulo máximo de giro total foi definido como em 180º.
Como primeira escolha, optou-se por utilizar o sensor Encoder Absoluto. A
escolha se deu pelo fato do componente possuir em cada ângulo um conjunto de
bits, desta forma mesmo com a perda de energia ou desligamento do sistema não
perderia o ângulo correto que se encontra a rabeta. Assim, a mínima resolução
estipulada foi que em cada grau de ângulo tivesse uma combinação de bits, com
isso teria que ter um mínimo de 180 combinações.
A problemática gerada nesta etapa da execução do projeto foi em torno do
preço alto, dificuldade em encontrar o modelo desejado. Logo, conclui-se que seria
melhor promover a troca do componente, substituindo pelo potenciômetro.
O potenciômetro possui uma resolução infinita, tendo em vista que, a sua
saída baseia-se em um sinal analógico. Observando outros pontos, há um ângulo
máximo de 270° e seu valor de compra varia, conforme sua qualidade e
características especiais. Assim, mostrando-se uma opção mais adequada ao
projeto em questão.
Com o viés dos sensores, considerou-se como fator de escolha as
interferências e a qualidade do mesmo. Assim, preferiu um sensor utilizado em
pedais de guitarra, já que os mesmo possuem dois sensores em um mesmo eixo, há
uma qualidade maior de fabricação e como fator essencial para o projeto seu
encapsulamento tem uma vedação superior aos potenciômetros comuns. A figura 30
demonstra o modelo de potenciômetro utilizado no projeto.
��
�
Figura 30 – Potenciômetro blindado linear duplo.
Fonte: https://www.tecnis.pt/compra/potenciometro-linear-duplo-blindado-
5k%CF%89-3438.
5.3 CONTROLE DO CONJUNTO DO LEME – PROJETO 1
Com o motor já dimensionado, o conjunto mecânico já apropriado para
utilização no protótipo náutico, sensor escolhido conforme a necessidade, o próximo
ponto se dá na coleta dos dados e atuação adequada no motor. Observou-se a
necessidade de utilizar um microcontrolador para gerar cálculos e atuações
adequados para nosso projeto.
Microcontrolador utilizado tem como fabricante a Atmel, com o modelo
Atmega328p, utilizando da programação C para Arduino e do modulo ARDUINO
NANO.
Na Figura 31 encontram-se os componentes que compõem o conjunto, tanto
na parte mecânica, quando parte elétrica de sinais e elétrica de potência. As flechas
pretas significam interação mecânica, flechas azuis interação de sinais elétricos e
fecha laranja atuação de elétrica de potência.
���
�
FIGURA 31 – Diagrama de blocos do conjunto de atuação do leme.
Fonte: Autor
A programação foi realizada conforme o fluxograma na Figura 32.
Inicialmente selecionou os pinos digitais três e cinco em modo de saída, controlando
a ponte H, assim gerando a parte de controle de potencia do motor DC. Para receber
a informação da direção, foi decido usar a comunicação I2C, por sua simplicidade e
por usar somente quatro fios para sua comunicação, sendo designado um valor
entre 0 a 255 para a informação do ângulo da direção e conforme a comunicação
I2C, o ID para a recepção dos dados foi designado como nove. Após essa
inicialização do microncontrolador e escolhido os pinos de saída, designa um pino
como analógico para entrada de informação da posição do conjunto leme e
propulsor, sendo a escolha o pino analógico zero, realiza a conversão analógica
digital, passa uma informação proporcional ao ângulo do sensor, recebendo uma
informação de valor entre 0 a 1024. Foi realizado um mapeamento proporcional do
número que inicialmente é entre 0 a 1024 para o valor entre 0 a 255.
Com essas informações, calcula-se a diferença entre o valor que se encontra
a posição da direção e a posição do conjunto de direção. Utilizando da diferença, o
motor terá uma ação e qual sentido de giro que terá atuação. Caso o numero dessa
���
�
diferença seja positiva, o motor irá girar em um sentido, caso a diferença seja um
valor negativo irá girar para o outro sentido, e por final se o número estiver zerado
não terá nenhuma ação no motor.
O controle da ponte H se da pelas portas três e cinco, sendo que para gerar
um sentido de giro coloca-se uma porta em nível logico alto e outra porta em nível
logico baixo. O módulo de ponte H de modelo IBT_2, conhecido como BTS7960, por
possuir dois drivers deste modelo, possibilita utilizar da tecnologia PWM, com isso
tendo um controle efetivo do motor.
A Figura 32 demonstra o valor para que se possa iniciar determinada atuação
no motor. Escolheu-se inicialmente o valor 3, essa alteração foi realizada por notar
em testes que o valor recebido do modulo da direção e o valor recebido da porta
analógica do sensor de posição do motor gerava uma certa variação indesejada. A
presente alteração somente possibilita a atuação do motor quando o valor da
diferença entre o modulo de direção e o sensor do motor for maior que três ou menor
que menos três, assim, deixando a atuação mais estável e com menor consumo de
energia, tendo em vista que não realiza atuação indesejada.
���
�
FIGURA 32 – Fluxograma da programação do microcontrolador de
atuação.
Fonte: Autor.
Com a aplicação de uma potência controlada sobre o motor, com a utilização
do PWM, gera-se uma estabilidade da direção e uma maneira de redução do
consumo, tendo em vista que a atuação será proporcional ao aumento da diferença
���
�
entre o sensor da direção e o sensor do atuador. Com isso, uma atuação mais fraca
no motor quando a diferença for menor, e quando essa diferença for crescendo, a
atuação aumenta proporcionalmente.
5.4 ÂNGULO DA DIREÇÃO - PROJETO 1
Após a realização do controle do leme, foi realizado a analise e informação do
ângulo da direção.
Para gerar a informação do ângulo de direção, foi necessária a utilização de
um potenciômetro blindado de 10k �, com o seu eixo mecânico diretamente
acoplado no eixo que compõem o volante do protótipo, como mostra a Figura 33.
FIGURA 33 – Fixação e adequação mecânica do sensor de direção.
Fonte: Autor.
Notou uma baixa utilização de portas físicas no microcontrolador do modulo
da proa, em vista desta característica, optou-se por um de menor tamanho e menor
consumo, como demonstrado na figura 34. Chip do microncontrolador vindo da
mesma fabricante do Arduino NANO, o ATtiny85 da Atmel possui somente 8 portas
físicas, como ilustra a figura 35, memoria flash de 8kB e comunicação I2C integrada.
Com isto foi adquirido um modulo chamado DIGISPARK,
���
�
FIGURA 34 – Foto do modulo Digispark comparado com um tamanho de
uma moeda.
Fonte: http://digistump.com
Figura 35 – Pinos do modulo Digispark ATtiny85
Fonte: http://arduinoecia.com.br.
Observa-se no diagrama de blocos da Figura 36 a aquisição de informação do
ângulo da direção, onde recebe uma alimentação de 12 v e mais a comunicação
I2C.
Comunicação I2C utiliza dois pinos, são eles D2 e D0, respectivamente SCL e
SDA da comunicação.
���
�
FIGURA 36 – Diagramas de blocos da aquisição do ângulo da direção
Fonte: Autor.
A programação foi utilizada na IDE do Arduino, utilizando da linguagem de
programação C, seguindo conforme o fluxograma da Figura 37.
���
�
FIGURA 37 – Fluxograma da programação da direção - projeto 1.
Fonte: Autor.
5.5 INTEGRAÇÃO AO PROTOTIPO NAUTICO - PROJETO 1
Durante a realização de teste, observou-se que o projeto não funcionou da
forma esperada. Durante a análise do ocorrido, notou-se que o problema estava na
ponte H, mais precisamente em um defeito de fabricação, demonstrado da figura 38.
���
�
Figura 38 – Teste em bancada apresentando o erro de PWM.
Fonte: Autor.
Sob a ótica do problema, quando havia uma atuação da ponte H no motor
para um sentido de giro, o motor girava normalmente, porém quando era acionada
para o sentido oposto, a ponte H aquecia muito, e o motor gerava um barulho
diferente e pouca força. A ponte H, quando tinha uma atuação em um sentido estava
mandando energia tanto negativa quanto positiva, e fazia com que o motor não
girasse adequadamente. O problema mais facilmente visível com o osciloscópio,
como na figura 39 e figura 40.
��
�
FIGURA 39 – Sinal de saída da ponte H com defeito.
Fonte: Autor.
FIGURA 40– Sinal de saída da ponte H em funcionamento normal.
Fonte: Autor.
Com a troca da ponte H o projeto funcionou como o esperado. Assim,
finalizando o processo de escolha e teste desta parte.
��
�
Sob a ótica dos testes realizados, a integração dos módulos foi testada de
forma separada, a fim de verificar seu funcionamento, o que no caso, se deu de
maneira satisfatória e esperada.
O sensor da direção fixado junto ao eixo da direção, próximo ao módulo do
microcontrolador da proa que faz o cálculo médio do sinal do sensor e a
comunicação I2C, como ilustrado na figura 41.
FIGURA 41 – Localização e fixação dos componentes na Proa.
Fonte: Autor.
A redução, o sensor e o motor foram fixados mecanicamente no eixo do leme
e propulsor. Já o módulo do microcontrolador, a fixação se deu junto aos outros
controladores do protótipo, como se observa na figura 42.
FIGURA 42 – Localização e fixação dos componentes na Popa.
Fonte: Autor.
���
�
Frente ao exposto, foram observadas problemáticas a serem sanadas, sendo
ela a distância da comunicação I2C ficou em 7 metros, desafiando a literatura que
aponta sua maior distancia em 1 metro. Logo, houve a necessidade de iniciar um
novo projeto, com uma comunicação que se adequasse ao projeto.
Após o problema, resolveu gerar um projeto novo com outro modelo de
comunicação.
5.6 CONTROLE DO CONJUNTO DO LEME – PROJETO 2
Após discussão, e revisão de literatura, na busca por uma comunicação
adequada, verificou-se como opção a utilização da comunicação CAN. Uma vez que,
esta comunicação já estava sendo utilizado entre os controles das bombas de porão,
controle da potência do motor DC de propulsão e chave de segurança, conhecida
como Dead Man’s Switch.
Com o acréscimo da comunicação CAN, basicamente a diferença do primeiro
projeto se da na utilização da comunicação SPI, sendo ele para o controle da
comunicação CAN. Observa-se na Figura 43 como ficou composto em diagrama de
blocos do novo projeto.
���
�
FIGURA 43 – Diagrama de blocos do modulo da popa.
Fonte: Autor.
O módulo de comunicação CAN escolhido possui um controlador CAN
MCP2515 e um Transceptor TJA1050 integrado à placa, na figura 44 mostra uma
foto do modulo.
FIGURA 44 – Foto do modulo CAN MCP2515 TJA1050
Fonte: www.baudaeletronica.com.br.
���
�
A Figura 45 representa o esquema elétrico composto do modulo da popa.
FIGURA 45 – Esquema elétrico do módulo da popa.
Fonte: Autor.
Para uma adequada conexão do modulo CAN e do modulo Arduino NANO,
produziu uma placa de circuito impresso. A figura 46 mostra a placa de circuito
impresso de face única criada.
FIGURA 46 – Placa de circuito impresso do módulo da popa.
Fonte: Autor.
���
�
Para atuação do motor DC, o modulo de ponte H utilizado tem seu modelo
conhecido como IBT_2, que compõe de dois drivers BTS7960, sendo cada um
responsável por metade da ponte H. A figura 47 ilustra o real modulo utilizado.
Tem por características alimentação entre 5 a 45 Volts, e capacidade de uma
corrente máxima de 43 Amperes.
FIGURA 47 – Módulo IBT_2.
Fonte: Autor.
Com uma utilização simples, o modulo realiza um ótimo controle do motor DC
12 v escolhido. Abaixo tem as informações dos pinos de controle e a ligação elétrica,
sendo observado no esquema elétrico na figura 48.
1 - PWM Direção 1 – Porta digital D3
2 - PWM Direção 2 – Porta digital D5
3 - Ativar / Desativar PWM Direção 1 - HIGH ativa – VCC 5 v
4 - Ativar / Desativar PWM Direção 2 - HIGH ativa – VCC 5 v
5 - Direção 1 - Side Currente Alarm Output – Nada consta
6 - Direção 2 - Side Currente Alarm Output - Nada consta
7 – VCC –VCC 5 v
8 – Ground – Ground
���
�
FIGURA 48 – Esquema eletrico ponte H IBT_2
Fonte: Autor.
Devido a eventuais mudanças, foram necessárias adequações na
programação usada no microcontrolador. O fluxograma da figura 49 explana a
programação criada.
���
�
FIGURA 49 – Fluxograma da programação do modulo da popa.
Fonte: Autor.
���
�
A programação foi gerada com possibilidades de ajustes, sendo da potência
do motor e ângulos do conjunto de leme e propulsor. Com possibilidades de
verificações de possíveis erros, retratados através da porta de comunicação serial
do microcontrolador (USB).
Quando ocorrido uma perca total na comunicação CAN, não é tratado
somente através da porta de comunicação USB, mas também realiza um processo
de atuação no motor, jogando ele para o ponto 128, ponto este referente a 90° do
conjunto leme e propulsor. O tratamento desse erro teve um olhar mais atento para o
barco não ter a possibilidade de seu conjunto de leme propulsor travado para o lado,
desta forma levando para a direção reta.
Para ajustes de ângulo, necessita alterar a informação do mapeamento
proporcional. Com o mesmo princípio abordado no ajuste de ângulo da direção,
obtém-se a possibilidade de ajuste do intervalo de posição angular do conjunto leme
e propulsor, alterando com mesma proporcionalidade o início e o fim do
mapeamento.
O ajuste de potência do motor está ligada a diferença entre o valor recebido
da direção e o valor mapeado do sensor do motor. Conforme o primeiro projeto,
quanto maior a diferença entre eles maior será a potência acionada no motor.
Contudo, notou-se que com pouca diferença a ação no motor era muito fraca, não
vencendo a força motora necessária. Estabeleceu uma força inícial para sanar o
problema, alocando uma variável responsável pela ação, chamada de potini.
A variável chamada de potfin faz um ajuste semelhante ao informado acima,
no entanto, coloca o motor em potência máxima quando o valor da diferença tornar-
se igual ou maior que a variável definida.
Outro ajuste importante é o de variação indesejável, como já havia sido
abordado no primeiro projeto, notou-se a necessidade de continuar usando. Na
programação vem com o nome de variável inzero, que significa que terá atuação no
motor somente quando o valor da diferença entre direção e conjunto do leme e
propulsor ser maior que o módulo da variável.
A figura 50 ilustra um gráfico que informa a potência do motor pela diferença
entre o valor recebido da direção e o valor mapeado do sensor com a atuação das
variáveis de ajustes.
���
�
FIGURA 50 – Gráfico demonstrativo das variáveis pela potência no motor.
Fonte: Autor.
5.7 ÂNGULO DA DIREÇÃO – PROJETO 2
Possuindo baixa quantidade de posrtas, a troca do microcontrolador se fez
necessária, sendo substituído Atmega 328p, com o modulo Arduino Nano. Foi
acrescentado junto a esta substituição, um módulo de comunicação CAN. A decisão
de troca do microcontrolador se deu pelo fato de que o escolhido no projeto 1
possuía poucas portas físicas, sendo que com o acréscimo do modulo CAN, foram
utilizados os pinos da comunicação SPI, conforme se observa no esquema elétrico
da Figura 51.
FIGURA 51– Esquema elétrico da proa.
Fonte: Autor.
��
�
A Figura 52 mostra o diagrama de blocos do sistema.
Figura 52 – Diagrama de blocos modulo da proa Projeto 2.
Fonte: Autor.
Dentre as mudanças que ocorreram, acredita-se que a mais significativa delas
foi a troca do microcontrolador e a anexação do modulo CAN. Sob a ótica da
programação, a figura 53 exemplifica a programação realizada.
��
�
FIGURA 53 – Fluxograma da programação da direção projeto 2.
Fonte: Autor.
���
�
Inicialmente a programação verifica se o modulo CAN, do modelo MCP2515,
esta inicializando normalmente, caso não, gera uma nova tentativa, até realizar a
conexão.
Determinou-se que o pino A2 é o pino de entrada do sensor acoplado
mecanicamente ao eixo do volante do piloto. A programação realiza uma media de
10 amostras, como o estipulado na programação através da variável “Nmedia”.
Com o valor médio do sensor, o próximo passo se da no mapeamento
proporcional do valor, que vai de 0 a 1022 para o valor entre 0 a 255. Para enviar a
informação para o modulo da popa, manda-se através do modulo CAN o valor
calculado somado ao ID do mesmo, sendo o ID em hexadecimal e seu valor de
0x60.
Ao final a programação recebe informações do microcontrolador da popa,
caso a mesma mande informação de erro. Em primeira partida, a programação não
está fazendo uso, pois não foi criado sistema de verificação de defeito.
A programação nos proporciona ajustes de direção, pelo fato de possuir um
mapeamento proporcional do sensor. Esse ajuste se dá na alteração inicial e final da
variável adquirida do sensor. Observa-se na Figura 54 o modo de escrita da
programação, sendo “varialvel de saída” a variável do que resultará o mapeamento,
“variável” é a variável de valor do sensor, “A” valor inicial do mapeamento, onde irá
alterar o ângulo inicial de atuação do sensor, “B” valor final do mapeamento, essa
alteração mudará o ângulo final no sensor, “C” e “D” são as variáveis fixas do valor
de saída, que sempre serão no intervalo entre 0 a 255.
Para ter uma proporção de ângulo por valor da variável, calcula-se:
������ � � ���!"�#$�%$& "�
������ � � '��(��'��
������ � � ��')(
Conseguiu-se ter uma noção que a cada 0,26° de variação do potenciômetro
há um acréscimo do valor da variável. Com esse valor realiza-se a alteração do
ângulo de início e de fim de curso do sensor da direção.
Obtém-se um exemplo de uso quando se deseja ter uma direção com um
curso máximo de 180º, em vez de usar o total de 270°, sem a perda da centralização
da direção, para isso realiza-se o calculo:
• Encontrar o valor total em graus a ser retirado.
���
�
'��( * +&$"���,!�-�� - .$�/ � +&$"��� �-�0�$/�+&$"��� �-�0�$/ � '��( * ���(�+&$"��� �-�0�$/ � ��(
• Encontrar o valor para o inicio de curso.
+&$"��� �-�0�$/' � +1�$!-�%�%,%$"/�
+1�$!-�%�%,%$"/ � �2(
+&$"���%�%,%$"/ � � +1�$!-�%�%,%$"/��')( �+&$"���%�%,%$"/ � ��3
• Encontrar valor para o fim de curso
+&$"��� �-�0�$/' � +1�$!-�4%�$"/�
+1�$!-�4%�$"/ � �2(
+&$"���4%�$"/ � ���'� * 5+1�$!-�4%�$"/��')( 6�+&$"���4%�$"/ � ��'� * ��3�+&$"���4%�$"/ � �2�
Encontrado os valores, ajusta-se a programação. Observando a Figura 54,
substituiu-se o valor da variável “A” por 173, o valor de “B” por 851 e preservou-se os
valores de “C” e “D” respectivamente em 0 e 255. Essa alteração fará com que
quando o valor do ângulo do sensor for menor ou igual a 45°, o valor de saída será
igual a zero e quando for maior que 225º terá o valor de saída em 255. Entre o valor
de 45º a 225º terá uma proporção conforme o calculo abaixo:
+������ �/ � +�2( * ''2(/��'� �
+������ �/ � ����(
A cada 0,17° de alteração do potenciômetro, há um acréscimo do valor da
variável, com isso deixando a direção mais sensível.
Conclui-se que o ajuste proporciona alteração na sensibilidade da direção,
diminuindo o curso do potenciômetro a ser mapeado.
���
�
FIGURA 54 – Direção, sensor e variáveis de programação.
Fonte: Autor.
Outro ajuste importante consistiu em centralização da direção, caso a direção
fique mecanicamente fora de ângulo com o sensor. O ajuste se dá na mudança de
posição do intervalo.
Pode-se exemplificar caso a direção esteja com 10° de erro, e seu curso
máximo de 180°, como se observa na figura 55.
FIGURA 55 – Sensor 10° defasado
Fonte: Autor.
O intervalo de 180° foi calculado anteriormente, tendo um valor inicial em 173
e o valor final em 851. Como há um problema de centralização em 10°, realiza-se a
mudança de início e fim de curso, encontrando o valor referente a 10°.
���
�
������ � � ���!"�#$�%$& "�
#$�%$& " � ���!"������� ��
#$�%$& " � ��(��')(�
#$�%$& " � 3�
Calcula-se que 10° é igual a 38 pontos da variável, com isso subtrai do valor
inicial e do valor final.
+&$"���%�%,%$"/ � ��3 * 3��+&$"���%�%,%$"/ � �32
+&$"���4%�$"/ � �2� * 3��+&$"���4%�$"/ � ��3
Com a alteração dos valores, finalizou-se o ajuste da direção sem precisar
alterar mecanicamente o acoplamento do sensor até a direção. A figura 56 mostra
como ficará o intervalo da programação comparado com o sensor e com a direção.
FIGURA 56 – Sensor 10° defasado, com ajuste de programação.
Fonte: Autor.
Com a finalização da programação e o projeto do esquema elétrico, realizou-
se a criação do layout da placa como ilustrado na figura 57.
���
�
FIGURA 57 – Layout placa do modulo popa.
Fonte: Autor.
5.8 INTEGRAÇÃO AO PROTOTIPO NÁUTICO - PROJETO 2
Com a finalização dos projetos dos módulos da proa e da popa, preocupou-se
com o funcionamento adequado do projeto integrado ao protótipo náutico.
A distância média entre a proa e a popa mantem-se em sete metros, sendo
que os módulos serão fixados mais próximo possíveis dos sensores respectivos.
Conforme o modulo CAN, há a necessidade de utilizar par de fios trançados e não
blindados. Uma das partes de grande preocupação no projeto, pelo fato de não
poder perder a comunicação por uma falha de rompimento nos cabos, optou-se por
procurar cabos de materiais que sofrerão menos desgastes com a alta oxidação e a
alta vibração. Em uma busca, deparou-se com cabos CAT-5E utilizados em rede de
computadores, os comumente utilizados são de fios de cobre e sólidos. Como este é
um ambiente hostil, de alta umidade e vibrações, usou-se um cabo de material em
alumínio e flexível como se avalia na Figura 58.
���
�
FIGURA 58– Fio 24AWG 4 pares trançados, flexível e alumínio
Fonte: Autor.
Pensando em facilitar a instalação, decidiu-se em utilizar conexões nos
cabos, a ilustração da Figura 59 mostra as localizações das conexões.
FIGURA 59 – Conexões do cabo de comunicação CAN
Fonte: Autor.
Não podendo esquecer a fragilidade que um conector poderá gerar na
comunicação, optou pela escolha de um modelo resistente ao ambiente, sendo de
comum utilização em automóveis, tem seu nome conhecido como Superseal, na
figura 60 analisa-se que o mesmo possui uma vedação mais adequada.
���
�
FIGURA 60 – Conector Superseal
Fonte: Autor.
A montagem dos conectores da comunicação CAN, para trafego dados,
propunha-se o par trançado de cor verde, o de cor marrom foi usada para transferir
energia para os módulos, sendo o fio branco com marrom alimentação positiva de 12
volts e o marrom a referência, como demostrado na figura 61.
FIGURA 61 – Montagem do conector CAN
Fonte: Autor.
���
�
As conexões dos sensores com seus respectivos módulos constituem em
cabos de 3 vias e flexível. Para uma possível substituição, ou uma necessária
desconexão entre os módulos com seus respectivos sensores, utilizou-se conectores
de mesmo modelo utilizado no barramento CAN, com a diferença de ser somente 3
vias, como mostra a figura 62. O fio de cor preta, utilizado como referência, fio da cor
vermelha, alimentação 12 volts e a de cor amarela, sinal analógico do sensor.
FIGURA 62 – Conexão do sensor com o modulo.
Fonte : Autor
Outro conector utilizado no projeto realiza a interligação dos componentes de
potência, como a alimentação da ponte H e a ligação entre a mesma com o motor
DC. Como a corrente é elevada, ultrapassa de 20 Amperes, o conector possui um
corpo robusto e uma conexão apropriada para tal. Esse conector está ilustrado na
figura 63.
FIGURA 63 – Conector do motor DC com a ponte H.
Fonte : Autor
��
�
Para não ter problema com as placas, módulo de microcontrolador e módulo
da rede CAN, por estar no ambiente hostil, empregou-se um material em resina
silicone bi componente transparente, ou seja, resina cristal de cura á temperatura
ambiente. A mesma possui uma boa rigidez e flexibilidade, protegendo as placas de
circuito impresso contra umidade e calor externo, além de fixar os componentes,
inibindo a ação de vibrações, diminuindo a probabilidade de problema com soldas e
conexões. Para a utilização da resina na placa, decidiu-se colocar os módulos dentro
de caixas herméticas de tamanho, 14 centímetros de profundidade por 10
centímetros largura e altura de 10 centímetros, como se verifica na figura 64.
FIGURA 64 – Desenho da placa de microcontrolador resinada.
Fonte: Autor.
Em ponte H, estão presentes componentes constituídos de junções como os
MOSFETs, que em funcionamento, tem por uma de suas características o
aquecimento, necessitando utilização de dissipadores para o desempenho
adequado, perante a isso, a ponte H utilizada possui um dissipador de calor.
Resinada igualmente aos módulos dos microcontroladores, notou-se a necessidade
de injetar a resina até o início do dissipador, desta forma não atrapalhando a troca
de calor do dissipador com o meio e mantendo a proteção da parte eletrônica com a
resina. As figuras 65 e 66 demonstram o resultado da injeção de resina no modulo
da ponte H.
��
�
FIGURA 65 – Módulo ponte H resinado
Fonte: Autor.
FIGURA 66 – Desenho modulo ponte H vista transversal
Fonte: Autor.
5.9 PROJETO DE SENSORIAMENTO
Para uma análise do projeto da direção eletrônica, verificando os pontos
críticos como, corrente do motor, temperatura da ponte H, tensão da bateria e
���
�
medição do consumo, decidiu-se criar um projeto onde não interferisse diretamente
na direção. A escolha se deu por deixar a direção totalmente isolada dos demais
sistemas compostos na embarcação e fazendo com que qualquer erro externo não
cause uma influência no processamento da direção.
A escolha do mesmo microcontrolador usado nos módulos de popa e proa,
sendo o Atmega 328p e a placa da versão Arduino Nano. Para armazenamento das
informações geradas pelos sensores, utilizou-se de um modulo de leitura e gravação
de cartão MICRO-SD.
Para medir a corrente utilizou-se o módulo de sensor de corrente de 30
amperes, disposto de um circuito integrado ACS712, que usa o efeito hall para
detectar o campo magnético gerado pela passagem da corrente. Para aquisição da
temperatura na ponte H, escolheu-se o LM35, por sua facilidade no uso e sua leitura
com a precisão satisfatória ao projeto, podendo ser fixado nas aletas do dissipador.
Para realizar a medição da tensão da bateria, utilizou-se de uma porta de conversão
analógica para digital do microcontrolador, sendo necessário um divisor de tensão
ligada à mesma, pois a porta faz medição de 0 volts até 5 volts e a bateria trabalha
em 14,6 volts em carga máxima. Abaixo segue a imagem (figura 67) ilustrativa e o
cálculo de divisor de tensão realizado.
FIGURA 67– Divisor de tensão
�Fonte: Autor.�
#�!7 � 8#%�� 9'9� : 9';
2 � 8�2� 9'9� : 9';
9� : 9' � �2� 9'2
���
�
9� : 9' � 3� 9'
9� � '� 9'
Onde:
Vin = Tensão da bateria (volts)
Vout = Tensão de entrada do pino analógico para digital (volts)
R1 = Resistor (�)
R2 = Resistor (�)
Fixando o resistor R2 em 180 K�, o cálculo mostra que o resistor R1 terá o
valor de 360 K�, porém decidiu-se aumentar a medição de entrada, estipulando um
resistor R1 em 470K�, desta forma, aumentando o Vin máximo para 18 volts.
Para a interligação dos componentes, criou-se uma placa de circuito
impresso, conforme a figura 68.
FIGURA 68 – Layout 3D do projeto de sensoriamento
Fonte: Autor.
A programação segue o fluxograma da figura 69.
���
�
FIGURA 69 – Fluxograma do modulo de sensoriamento
Fonte: Autor.
���
�
6. RESULTADO
A criação de um sistema de direção eletrônica é o produto do projeto em
questão. Constituída principalmente de atuador eletromecânico, sensores,
microcontroladores e a comunicação entre os módulos da proa e da popa, a direção
eletrônica foi elaborada em função as necessidades do Protótipo Náutico Zênite.
O Protótipo Náutico Zênite, participa de um campeonato chamado DSB,
Desafio Solar Brasil, constituindo de um rali de barcos movidos à energia solar que
estimula desenvolvimentos de tecnologias para fontes limpas e energias alternativas.
Assim, o a direção eletrônica inovaria e se enquadraria nos requisitos da
competição.
O período do desafio DSB é de aproximadamente uma semana. Neste
evento, são realizadas provas de curta, média e longa duração, bem como provas de
arrancada (sprint) e de manobras (slalom). Referente à carga das baterias, as
embarcações podem começar a competição com baterias carregadas, porém, estas
só podem ser recarregadas via painéis fotovoltaicos, durante todo período do
desafio.
Para a participação nas provas do Desafio Solar Brasil, as equipes devem
desenvolver embarcações que caracterizam um sistema complexo envolvendo
várias áreas do conhecimento como: elétrica, eletrônica, mecânica, construção
naval, química, entre outras.
A equipe Zênite Solar representa o IFSC nesta competição desde 2013 e
atualmente conta com cerca de vinte alunos, sendo a maioria voluntários de diversos
cursos e departamentos do campus Florianópolis do IFSC. Na equipe também estão
presentes professores de diversas áreas como automobilística, design de produto,
mecânica, eletrônica e eletrotécnica, sendo que já foram ou estão sendo executados
vários projetos de pesquisa e extensão voltados a aplicações do barco solar.
No ano de 2015 a equipe foi campeã da categoria livre e nos anos de 2015,
2016, 2017 e agora em 2018 recebeu o prêmio Fernando Amorim de Inovação, por
apresentar projetos inovadores, sendo uma das poucas equipes a desenvolver suas
próprias soluções ao invés de utilizar equipamentos comerciais, onde 100% dos
elementos eletrônicos utilizados na embarcação são desenvolvidos pela equipe. A
figura 70 mostra a equipe durante o DSB.
���
�
FIGURA 70 – Equipe Zênite no DSB 2018
Autor: Zênite Solar.
6.1 UTILIZAÇÃO DO SISTEMA NO PROTÓTIPO NÁUTICO ZÊNITE SOLAR
Anteriormente a participação no campeonato DSB de 2018, a embarcação
passou por alguns testes no sistema com todos os componentes de propulsão,
placas solares, circuitos eletrônicos em geral e baterias. Estes teste foram realizados
no Lagoa Iate Clube (LIC), localizado na Lagoa da Conceição, Florianópolis - Santa
Catarina, nos dias 4 e 5 de novembro de 2018.
Neste cenário realizou-se a instalação de todos os circuitos necessários para
a navegação. Os primeiros testes são chamados de “teste à seco”, como nomeado,
este teste é realizado com o barco fora da água, verificando todos os componentes
em conjunto e possíveis falhas ou más conexões que poderão causar falhas na
navegação. Na figura 71 observa-se a equipe se preparando para o primeiro “teste à
seco”.
���
�
FIGURA 71 – Montagem e “teste à seco”
Autor : Zênite Solar
Anteriormente ao teste, o sistema de direção eletrônica teve um tempo de
instalação consideravelmente rápido, mesmo que fosse necessária a fixação de
seus elementos, sendo os módulos prendidos através de fecho de contato,
conhecido como Velcro, o sensor da direção preso no eixo, com um suporte pré-
fixado e a parte de atuação, que é composto do motor DC, sensor de ângulo e
conversor de torque, ligado mecanicamente no leme e propulsor através de uma
corrente e armação em aço inox pré-fixada. No teste á seco, o sistema de direção
eletrônica se comportou como o esperado.
Após todos os componentes serem testados e aprovados fora do ambiente
aquático, à embarcação Zênite Solar é inserida na Lagoa da Conceição, assim
forçando os sistemas a trabalharem igualmente às provas de o Desafio Solar Brasil.
Umas das provas de maior preocupação para a direção é a chamada de
slalom, sendo uma prova onde o participante tem que passar por trás de obstáculos,
boias, realizando um traçado com curvas fortes, como mostra a figura 72.
���
�
FIGURA 72 – Zênite Solar em teste de slalom.
Fonte: Zênite Solar.
Os testes deram uma notória melhora na direção, sendo ela leve, traz ao
piloto uma facilidade e agilidade na direção. Podendo manter somente uma das
mãos na direção, o piloto poderá utilizar a outra no painel de controle, com isso
facilitando na mudança de velocidade da embarcação, acionamento das bombas e
entre outras funções existentes, melhor observados na figura 73. Outro ponto de
melhoria, comparada com a antiga direção utilizada, é a não presença de folga da
direção, desta forma aumentando a precisão e conforto na navegação. Na figura 74,
evidencia-se o piloto navegando com a embarcação Zênite Solar somente com uma
das mãos na direção, tendo a outra totalmente livre.
FIGURA 73 – Painel Zenite Solar
Fonte : Zênite Solar
���
�
FIGURA 74 – Teste Zênite Solar
Fonte: Zênite Solar.
Após todos os testes, tanto à seco quando em água, o projeto estava pronto e
adaptado a embarcação. Logo, só restava a prova real no DSB- 2018, durante a
estadia no desafio a embarcação ficou em segundo lugar, com um tempo final de
prova de 4 horas 58 minutos e 8 segundos. Além de ser vice campeão a
embarcação alcançou o Prêmio Fernando Amorim – Melhor projeto de Inovação,
através do projeto de Direção Eletrônica discorrido no presente estudo, abaixo a
figura 75 demonstra esta conquista.
FIGURA 75 – Premiação Fernando Amorim
Fonte: Autor.
��
�
6.2 UTILIZAÇÃO DO SISTEMA DE SENSORIAMENTO NO PROTÓTIPO
NÁUTICO ZÊNITE SOLAR
Esta utilização se deu após a participação da embarcação no DSB, devido ao
fato de que não havia nenhuma informação referente ao comportamento do sistema
de direção durante a prova. Houve assim, a necessidade de conhecer como a
direção se comportava quando ao seu consumo de energia e a real força que o
motor realiza.
No dia 17 de novembro de 2018, a embarcação Zênite Solar, foi transportada
para o LIC, realizando novos testes dos sistemas. Com a finalização do projeto de
sensoriamento, optou-se levar o sistema para adquirir as medições do projeto da
direção eletrônica. Pensando na facilidade de instalação, utilizou-se os mesmos
conectores, sendo que se preciso for, a retirada do sistema de medição não interfere
eletricamente no sistema da direção.
Foram feitas 3 medições, de corrente elétrica do motor DC 12 v, tensão da
bateria de alimentação e temperatura do modulo da ponte H, como se observa no
gráfico da figura 76.
FIGURA 76 – Gráfico gerado com os valores de medição.
Fonte: Autor.
Gráfico foi gerado com 30.361 medições, sendo que a cada segundo obtém-
se 46 medições em média, com isso tem-se um tempo total de 11 minutos. O
traçado de cor verde é referente à corrente do motor DC, onde mostra uma utilização
da direção nas medições entre 10.351 até 17.941, dando um tempo de 2 minutos e
��
�
45 segundos, com o resto do tempo a direção ficou sem atuação no motor DC.
Alcançou pico de corrente no motor de em média 22 Amperes.
Para calcular a corrente de pico no motor, primeiramente retira-se do gráfico o
valor, sendo ele 888 pontos. Retira-se 512 pontos, pois o valor que o sensor nos dá
é tento referente a corrente positiva quanto negativa, então assim restando um valor
de 376 pontos, cada um Ampere equivale a 17 pontos, chegando em um máximo de
22,11 Amperes de pico no motor.
O calculo de tensão da bateria se dá que o valor de 18 Volts representaria no
gráfico 1024 pontos, sendo ele o máximo possível medido através do modulo de
sensoriamento, retirando do gráfico um valor médio de 690 pontos, chega-se em um
valor de 12,13 Volts.
Para obtenção da temperatura, utilizou-se o calculo pré-existente para
utilização do sensor LM35, sendo ele:
� � �$7!�$ � 8��7�-� 2��'3 ;����
Aplicado o cálculo, com o valor observado através do gráfico, chegou-se a um
valor de temperatura média em 44 graus centigrados.
Para uma melhor observação dos sinais colhidos, contraiu uma parcela menor
de dados, onde notou uma maior atuação do motor. A figura 77 tem um tempo total
de 1000 medições, sendo eles referentes ao intervalo de 14.029 medições até
15029 medições da figura 76 apresentada anteriormente, tendo um intervalo de
tempo em 21,7 segundos.
��
�
FIGURA 77 – Gráfico de setor de 1.000 medições
Fonte: Autor.
��
�
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O objetivo central do estudo foi desenvolver um sistema de direção eletrônica
para controle náutico, com ênfase ao protótipo do Instituto Federal de Santa
Catarina (IFSC) campos Florianópolis. Frente a esse objetivo foi necessário realizar
estudos para melhor compreender como funcionaria cada componente do sistema
de Direção Eletrônica.
O objetivo foi alcançado com sucesso, uma vez que o mesmo se destacou na
competição na qual o Protótipo Náutico Zênite Solar participou. Não somente pela
premiação, mas também pelo funcionamento singular sem causar e sofrer
interferências aos outros sistemas do barco.
Durante esse processo de construção houve a necessidade de estudos na
área para melhor aprofundamento de questões particulares do barco, além da área
de tecnologia existiram estudos referente à mecânica do barco e também a busca
por materiais que mantivessem a vedação do projeto devido ao fato do ambiente
hostil no qual o projeto é exposto.
Referente às dificuldades enfrentadas durante o processo de criação do
projeto, se destacam, a conflituosa escolha dos motores existentes no mercado,
também que se adaptassem aos moldes do barco e as condições que o mesmo
seria exposto junto à competição. Ainda perante a escolha dos componentes, a
comunicação entre os módulos da proa e popa teriam de ter uma distância de no
mínimo 7 metros, ou seja, reduzindo as tecnologias existentes para tal função.
Aos obstáculos enfrentados, ressalta-se a dificuldade dos testes em agua,
uma vez que o mesmo foi testado poucas vezes, devido à logística que se tinha de
levar a embarcação até o local apropriado para a navegação. Assim, o projeto foi
testado poucas vezes no ambiente ao qual o mesmo foi projetado para atuar.
Como sugestão, a publicação de estudos na área, uma vez que há uma
escassez de pesquisas para serem acessadas. A disseminação dos projetos
executados pelo Instituto Federal de Santa Catarina abrem portas para mais
pesquisas, já que pode-se acessar estes dados e concretizar novas ideias. Frente ao
projeto, é de grande valia a continuação do mesmo junto a melhorias como a melhor
analise dos resultados de temperatura, corrente e tensão, que são obtidos através
do módulo de sensoriamento, verificando assim o seu pleno funcionamento.
��
�
REFERÊNCIAS
Batista, F. A. B. et al (2015). Embarcação Solar de Pequeno Porte como Objeto de Pesquisa para o Desenvolvimento e Divulgação do uso de Tecnologias Associadas à Energias Limpas. Revista Gestão & Sustentabilidade Ambiental, v. 4, p. 411-430, 2015.
CALMANOVICI, Carlos Eduardo. A inovação, a competitividade e a projeção mundial das empresas brasileiras. Revista Universidade de São Paulo, São Paulo, n. 89, mar. 2011. Disponível em: <http://rusp.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-99892011000200013&lng=pt&nrm=iso>. Acesso em: 29 nov. 2016.
Diário do Nordeste. CE representa fatia de 5% nas vendas de barcos. 2011. Disponível em: <http://diariodonordeste.verdesmares.com.br/cadernos/negocios/ce-representa-fatia-de-5-nas-vendas-de-barcos-1.1646941>. Acesso em: 29 nov. 2016.
G1- Santa Catarina: SC reúne mercado milionário de iates de luxo e estaleiros internacionais. Santa Catarina, 26 ago. 2016. Disponível em: <http://g1.globo.com/sc/santa-catarina/sc-que-da-certo/noticia/2016/08/sc-reune-mercado-milionario-de-iates-de-luxo-e-estaleiros-internacionais.html>. Acesso em: 29 nov. 2016.
BATTEZATI, Guilherme Bittencourt. ESTUDO DE MODIFICAÇÃO NA CONSTRUÇÃO DE UM MOTOR CC PRODUZIDO EM INDÚSTRIA DA CADEIA DE SUPRIMENTOS AUTOMOTIVOS. 2014. Disponível em: <http://nupet.daelt.ct.utfpr.edu.br/tcc/engenharia/doc-equipe/2011_2_21/2011_2_21_monografia.pdf>. Acesso em: 07 set. 2017.
EVANS, Martins; NOBLE, Joshua; HOCHENBAUM, Jordan. Arduino em ação. São Paulo: Novatec Editora Ltda., 2016.
FERREIRA, Erick da Penha; ALVES, Nicholas de Lacerda Alcides. BRAÇO ARTICULADO COM CONTROLE PROPORCIONAL DE MOVIMENTO COMANDADO VIA BLUETOOTH POR UM APLICATIVO DESENVOLVIDO PARA PLATAFORMAS ANDROID. 2013. 41 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Eletrica, Universidade do Vale do ParaÍba, SÃo JosÉ dos Campos, 2013. Disponível em: <http://biblioteca.univap.br/dados/000005/0000053d.pdf>. Acesso em: 19 abr. 2018.
FÖRSTER JUNIOR, Alfred; SILVA, Henrique André da. Sistema Inteligente de Sinalização de Segurança em Veículos Automotores. 2014. 133 f. Tese (Doutorado) - Curso de Curso de Ciência da Computação, Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul, Dourados, 2014. Disponível em: <http://www.comp.uems.br/~PFC/PFC%20155.pdf>. Acesso em: 28 nov. 2018.
KILIAN, Christopher T. Modern Control Technology: Components and Systems, Capítulo 6, 2a edição, Delmar Thomson Learning, 2000.
KINCHESCKI, Geovana Fritzen; ALVES, Rosangela; FERNANDES, TÂnia Regina Tavares. TIPOS DE METODOLOGIAS ADOTADAS NAS DISSERTAÇÕES DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ADMINISTRAÇÃO UNIVERSITÁRIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA, NO PERÍODO DE 2012 A
��
�
2014: XV COLÓQUIO INTERNACIONAL DE GESTÃO UNIVERSITÁRIA – CIGU. 2015. Disponível em: <https://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/136196/102_00127.pdf?sequence=1>. Acesso em: 23 nov. 2018.
LIMA, Charles Borges de; VILLAÇA, Marco V. M.. AVR E ARDUINO: TÉCNICAS DE PROJETO. 2. ed. Florianópolis: Ed. dos Autores, 2012. 632 p.
MARTINS, Gabriela Cristina Paiva. Modelagem e Simulação de um Atuador Elétrico Linear. 2016. 65 f. TCC (Graduação) - Curso de Graduação em Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2016. Disponível em: <https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/29781/29781.PDF>. Acesso em: 21 abr. 2018.
MELLO, Alex Vizeu Lopes de. AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL UTILIZANDO O ARDUÍNO. 2016. 70 f. TCC (Graduação) - Curso de Curso de Tecnologia em Sistemas de Computação, Universidade Federal Fluminense, Niterói, 2016. Disponível em: <http://app.uff.br/riuff/handle/1/5192>. Acesso em: 07 ago. 2018.
MOURA, Delmo Alves de; BOTTER, Rui Carlos. Análise da competitividade da indústria marítima brasileira – associação dos fatores críticos de sucesso com suas dimensões. 2010. Disponível em: <https://www.google.com.br/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwj918C6ze_QAhXJFZAKHRm5A-wQFggpMAI&url=http://www.scielo.br/pdf/prod/2011nahead/aopt600010368.pdf&usg=AFQjCNEP8dtfIMjpLoIhXAMDLo8vGOrtRQ&bvm=bv.141320020,d.Y2I>. Acesso em: 01 dez. 2016.
PEREIRA, Newton Narciso; LAURINDO, Fernando José Barbin. A importância da Tecnologia da Informação na indústria de construção naval: um estudo de caso. Associação Brasileira de Engenharia de Produção, São Paulo, v. 17, n. 2, set. 2007. Disponível em:<http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-65132007000200011>. Acesso em: 29 nov. 2016.
SANTOS, Gleidison. DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO PARA EMBARCAÇÃO MOVIDA À ENERGIA SOLAR. 2017. 70 f. TCC (Graduação) - Curso de Tecnólogo em Eletrônica Industrial, Acadêmico de Eletrônica, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina, Florianópolis, 2017.
SCHLAG, Fredy. Monitoramento da agressividade na direção de caminhões através de acelerômetro e gps. 2017. 63 f. TCC (Graduação) - Curso de Ciência da Computação, Universidade Regional de Blumenau, Blumenau, 2017. Disponível em: <http://dsc.inf.furb.br/arquivos/tccs/monografias/2017_1_fredy_monografia.pdf>. Acesso em: 28 nov. 2018.
Silva, G. G.; et al (2013). Desenvolvimento do Barco Solar do IFSC. Revista Ilha Digital, v. 4, p. 91-96.
SOUZA, Mariana PatrÍcia Pereira de. ACIONAMENTO DE MOTOR ELÉTRICO VIA BLUETOOTH DE CELULAR. 2010. 117 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia de Computação, Centro UniversitÁrio de BrasÍlia, Brasilia, 2010. Disponível em: <http://repositorio.uniceub.br/bitstream/123456789/3209/2/20465952.pdf>. Acesso em: 01 out. 2018.
��
�
SPARTANO, Mateus Azevedo. MOTOR DC BRUSHLESS FUNCIONAMENTO E CONTROLE. 2006. 46 f. TCC (Graduação) - Curso de Curso de Engenharia ElÉtrica, Área de Engenharia Elétrica, Universidade SÃo Francisco, Campinas, 2006. Disponível em: <http://lyceumonline.usf.edu.br>. Acesso em: 29 mar. 2018
UMANS, Stephen D.. Máquinas Elétricas de Fitzgerald e Kingsley. 7. ed. New York: Amgh Editora, 2014, 2014. 724 p.
VOSGERAU, Dilmeire Sant’anna Ramos; ROMANOWSKI, Joana Paulin. Estudos de revisão: implicações conceituais e metodológicas. 2014. doi: 10.7213/dialogo.educ.14.041.DS08. Acesso em: 8 nov. 2017.
ZAMAIA, Jessica Fernanda Pereira. Protótipo robótico de mão mecânica para reprodução de música em piano. 2016. 103 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Eletrica, Engenharia Elétrica, Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2016. Disponível em: <http://www.uel.br/ctu/deel/TCC/TCC2015-JessicaFernandaPereiraZamaia.pdf>. Acesso em: 20 abr. 2018.
WEG (Santa Catarina). Motores Elétricos: Guia de especificação. 2016. Disponível em: <http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-guia-de-especificacao-de-motores-eletricos-50032749-manual-portugues-br.pdf>. Acesso em: 30 ago. 2017.
