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TP3 - Navegação e Controle

Introdução
Na robótica, muitas vezes não é interessante, ideal ou até mesmo seguro um ser humano operar o robô continuamente. Dessa forma, é preciso que o robô faça seu próprio controle. O mecanismo de loop de controle utilizado para a implementação deste trabalho foi o Proporcional, Integral e Derivativo (PID). Além disso, a coleta de dados foi feita através de sensores LDR diferencial, break-beam e óptico-reflexivo.

Objetivos
O objetivo do trabalho é, a partir do robô móvel construído no Trabalho Prático 2, implementar as seguintes tarefas:
1) Utilizar um sensor LDR diferencial para se alinhar com a fonte de luz mais próxima sem informação sobre seu posicionamento em relação ao campo.

2) Se locomover, com controle próprio e utilizando sensores break-beam, em uma trajetória reta, triangular e quadrada de tamanho selecionável similares às mostradas na figura 1.
Figura 1. Exemplos de trajetórias fornecidos pelo professor.

3) Utilizar sensores óptico-reflexivos para seguir as linhas marcadas no campo de competição.

Materiais Utilizados
Os materiais utilizados foram:

      	Almoxarifado LEGO + peças extras
      	Kit Arduino contendo:
                  Placa Arduino Mega 2560 R3
                  Motor Shield V2
                  LCD Keypad Shield 16x2
                  Sensor Shield
                  Battery pack (8xAA, botão ON/OFF)
                  Cabo USB
                  Fonte de alimentação (12V)
      	Caixa de ferramentas contendo:
                  Alicate de Bico 125mm
                  Alicate de Corte Diagonal 125mm
                  Pistola de Cola Quente
                  Ferro de Solda 30W 127V
                  Suporte para ferro de solda com esponja
                  Estilete Grande
                  Sugador de Solda
        Roda esférica                     
        Sensor LDR diferencial 
        Sensor óptico-reflexivo
        Sensor break-beam
              

Testes e Decisões
No começo do trabalho o grupo focou em otimizar a estrutura do robô. Ao final do Trabalho Prático 2 percebeu-se que o robô utilizava um número excessivamente grande de peças e estava muito pesado. Por causa disso, ele não se movimentava corretamente. Assim, a primeira tarefa do grupo foi construir um novo robô mais leve.
Assim que a estrutura foi concluída, o foco passou a ser outro: preparar os sensores com fios e resistências adequados. A fim de saber a velocidade angular de cada roda, foram utilizados dois sensores break-beam, um em cada roda, para a implementação de shaft-encoders. Para a percepção de lâmpadas polarizadas foram utilizados dois sensores LDR em conjunto, formando um LDR diferencial. Na frente de cada LDR foi colocado um filtro polarizador: um deles na vertical e outro na horizontal, de modo que quando um deles receber luminosidade máxima, o outro receberá mínima. Por fim, foram utilizados dois sensores óptico-reflexivos para a detecção das linhas marcadas no campo de competição. Devido ao seu posicionamento, na maior parte do tempo os sensores óptico-reflexivos não percebem uma linha e o robô anda reto. Ao perceber uma linha em um dos lados, o robô vira para o lado correspondente. Ao perceber linhas nos dois lados, o robô opta por virar à direita.
Após a preparação dos sensores, o foco do grupo passou para a realização do controle. No código do trabalho foi implementado um controle Proporcional, Integral e Diferencial (PID). Assim, foi possível garantir a movimentação do robô em linha reta, pois o controle garante que a velocidade de suas rodas seja igual nesse caso. Isso faz com que o robô seja capaz de seguir linhas retas e realizar os trajetos necessários.
Por fim, foi preciso nomear o robô. O nome escolhido pelo grupo foi Charlinho.

A estrutura do robô, Charlinho, pode ser observada nas figuras 2, 3, 4 e 5 a seguir:
Figura 2. Vista frontal
Figura 3. Vista diagonal frontal esquerda
Figura 4. Vista diagonal traseira esquerda
Figura 5.Vista diagonal frontal direita

Os sensores podem ser observados nas figuras 6 e 7 a seguir:
Figura 6. Sensores break-beam no eixo das rodas e sensores óptico-reflexivos emitindo luz infravermelha
Figura 7. LDR diferencial com filtros polarizadores

Programação
O código utilizado no terceiro trabalho pode ser encontrado aqui.

Resultados Finais
Como esperado, com o controle adequado, o robô chamado de Charlinho foi capaz de se movimentar nas trajetórias propostas, seguir as linhas e identificar o lado do campo de competição em que ele se encontrava. Seu funcionamento pode ser observado nos vídeos 1, 2 e 3 a seguir:

Vídeo 1. O robô utiliza seus sensores óptico-reflexivos para seguir a linha

Vídeo 2. O robô utiliza seu sensor LDR diferencial com filtros polarizadores para captar a luz polarizada e se localizar no campo

Vídeo 3. O robô utiliza seu controle PID para descrever uma trajetória quadrada