Monografia Arduino

UNIVERSIDADE TECNOL ÓGICA FEDERAL DO PARAN Á
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETR ÔNICA/INFORM ÁTICA
CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇ ÃO
LUCAS LONGEN GIOPPO
MARCELO MASSAO KATAOKA HIGASKINO
RICARDO FANTIN DA COSTA
WILLIAM HITOSHI TSUNODA MEIRA
ROB Ô SEGUIDOR DE LINHA
MONOGRAFIA
CURITIBA
2009

LUCAS LONGEN GIOPPO
ROB Ô SEGUIDOR DE LINHA
Monografia apresentado à Unidade Curricular de
Oficina de Integração II do Curso de Engenharia da
Computação da Universidade Tecnológica Federal
do Paraná como requisito parcial para aprovação.
Orientador: Prof. Dr. João Alberto Fabro
CURITIBA
2009

TERMO DE APROVAÇ ÃO
LUCAS LONGEN GIOPPO
MONOGRAFIA RELACIONADA AO PROJETO DE OFICINAS DE INTEGRAÇ ÃO II
SOB O TÍTULO “ROB Ô SEGUIDOR DE LINHA”. APROVADA EM: / / .
BANCA EXAMINADORA
João Alberto Fabro, Universidade Tecnológica Federal do
Paraná
Mário Sérgio Teixeira de Freitas, Universidade Tecnológica
Federal do Paraná
Leandro Piekarski do Nascimento, Universidade Tecnológica
Federal do Paraná

RESUMO
GIOPPO, Lucas; HIGASKINO, Marcelo; COSTA, Ricardo; MEIRA, William. Robô Seguidor
de Linha. 34 f. Monografia – Curso de Engenharia da Computação, Universidade Tecnológica
Federal do Paraná. Curitiba, 2009.
Este projeto tem como objetivo a montagem de um robô que consiga seguir a trajetória de uma
linha de cor branca ou preta em um fundo de cor oposta à da linha. O seu sistema para detecção
da linha contará com o uso de sensores de luz infravermelha para detectar o sinal refletido a
partir de um diodo emissor apropriado. As superf´ıcies pretas têm a propriedade de absorver
radiações de todos os comprimentos de onda na faixa vis´ıvel.
Palavras-chave: Robô Seguidor de Linha, Arduino, Ponte H, Motor CC, Fotodiodo

ABSTRACT
GIOPPO, Lucas; HIGASKINO, Marcelo; COSTA, Ricardo; MEIRA, William. Line Following
Robot. 34 f. Monografia – Curso de Engenharia da Computação, Universidade Tecnológica
Federal do Paraná. Curitiba, 2009.
This project aims at assembling a robot which is capable of following a white or black colored
line having its opposite color as background. The system for the line detection uses infrared
light sensors to detect the reflected signal, which is emitted from an infrared LED. The robot
will be able to take the right way due to the fact of black being a color that absorbs light and
white being a color that reflects light.
Keywords: Line Following Robot, Arduino, H-Bridge, Motor DC, Photodiode

LISTA DE FIGURAS
–FIGURA 1 ARDUÍNO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
–FIGURA 2 DIAGRAMA DE BLOCOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
–FIGURA 3 ESTRUTURA DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA. . . . . . 10
–FIGURA 4 MOTOR AK2800/5-R330. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
–FIGURA 5 ESQUEMA DE PONTE H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
–FIGURA 6 FUNCIONAMENTO DA PONTE H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
–FIGURA 7 PONTE H FEITA APARTIR DE COMPONENTES DISCRETOS. . . . 13
–FIGURA 8 PONTE H L298N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
–FIGURA 9 PINOS DE CONEX ÃO - L298N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
–FIGURA 10 SÍMBOLO FOTODIODO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
–FIGURA 11 CIRCUITO DO SENSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
–FIGURA 12 VERIFICAÇ ÃO PELO SENSOR DA PRESENÇ A DA LINHA. . . . . . 16
–FIGURA 13 DISPOSIÇ ÃO DOS SENSORES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
–FIGURA 14 PWM VARIANDO A TENS ÃO MÉDIA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
–FIGURA 15 DEFINIÇ ÃO DE CICLO ATIVO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
–FIGURA 16 GR ÁFICOS DE PWM COM COMANDOS DO ARDUÍNO. . . . . . . . . . 19
–FIGURA 17 DISPOSIÇ ÃO DOS COMPONENTES DO ROB Ô SOBRE O CHASSI. 21
–FIGURA 18 DIAGRAMA DE ESTADOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

SUM ÁRIO
1 INTRODUÇ ÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Objetivos Espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 FUNDAMENTAÇ ÃO TE ÓRICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 MICROCONTROLADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 PONTE H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 SENSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 DESENVOLVIMENTO PR ÁTICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
3.1 ESTRUTURA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
3.2 SOFTWARE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4 CONCLUS ÃO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
REFER ÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
AP ÊNDICE A -- ORÇ AMENTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
AP ÊNDICE B -- REUNI ÕES (APS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
AP ÊNDICE C -- C ÓDIGO DO PROGRAMA DESENVOLVIDO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

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1 INTRODUÇ ÃO
Este trabalho apresenta os passos para construir um robô capaz de seguir uma linha no chão.
A monografia começa com uma visão geral dos objetivos do trabalho e em seguida apresenta
detalhes do planejamento, da montagem do hardware e da implementação do software que
serão usados no robô. Na locomoção serão utilizados motores de corrente cont´ınua alimentados
por uma bateria, além de caixas de redução para aumentar o torque dos motores e circuitos
que permitem inverter o sentido ou variar velocidade de rotação dos motores. Para detectar
a presença da linha preta o robô estará equipado com emissores e receptores de luz na faixa
infravermelho baseados na reflexão da luz pela cor branca e absorção pela luz preta. Para
controlar tudo será utilizado o microcontrolador Ardu´ıno.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Desenvolver um robô que se movimente sobre uma linha preta ou branca em uma superf´ıcie
plana e de cor oposta à da linha, guiado por sensores à base de fotodiodos que recebem a re-
flexão de um sinal emitido por um diodo emissor de infravermelho, atendendo assim ao objetivo
principal da matéria de Oficinas de Integração 2, do curso de Engenharia de Computação da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – Campus Curitiba, que é a de montar um aparato
que utilize sensores de qualquer natureza, trate os dados gerados por eles e responda a eles de
alguma maneira.
1.1.2 Objetivos Espec´ıficos
• Entender a teoria por trás dos componentes utilizados em nosso projeto, tais como foto-
diodos, transistores, capacitores, etc.
• Realizar um estudo sobre dimensionamento de um motor para determinada tarefa ou,
em nosso caso, escolher um motor de corrente cont´ınua adequado para mover o robô,

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entendendo o funcionamento deste.
• Aprender a teoria, a montar e utilizar uma ponte H, que em nosso projeto será utilizada
para inverter o sentido de rotação do motor CC.
• Aprender a utilizar o microcontrolador Ardu´ıno e a linguagem de programação utilizada
nele.
• Estudar sobre PWM (modulação por largura de pulso) e como gerar este pulso utilizando
o Ardu´ıno. Este estudo será utilizado para controlar a velocidade dos motores e assim
conseguir realizar uma curva.
• Aprender a montar e utilizar sensores de infravermelho.
• Realizar um bom ajuste entre o relacionamento sensores, motores e microcontrolador.

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2 FUNDAMENTAÇ ÃO TE ÓRICA
Para montar um robô é necessário entender alguns conceitos e o funcionamento dos com-
ponentes e peças envolvidos no trabalho, a fundamentação teórica diz respeito a este ponto do
projeto onde é explicado as etapas do processo de aprendizagem para se atingir o objetivo.
2.1 MICROCONTROLADOR
Optou-se por escolher o Ardu´ıno, figura 1, como microcontrolador para o projeto, este
dispositivo será responsável pela ligação entre o sensor e o motor. As informações geradas
pelos sensores são analisadas pelo microcontrolador e então são passados comandos – através
da ponte H – para o motor executar o movimento apropriado para se manter sobre a linha, o
diagrama de blocos dos componentes é a figura 2.
Figura 1: Ardu´ıno.
Fonte: (BANZI et al., 2006)
O Ardu´ıno é uma plataforma de prototipagem eletrônica open-source, baseado em um mi-
crocontrolador que se conecta ao computador pessoal através de uma porta serial ou USB,
dependendo do modelo utilizado. Ele possui uma linguagem de programação própria, baseada
em Wiring, que é implementada em um ambiente de desenvolvimento (IDE), também próprio,
baseado em Processing, e que pode ser utilizada em vários sistemas operacionais. Através desta

9
Figura 2: Diagrama de Blocos.
Fonte: Autoria própria.
plataforma pode-se montar uma variedade de circuitos de forma fácil e ágil, como, por exemplo,
um sistema de sensores, cujos dados podem ser interpretados e utilizados pelo próprio Ardu´ıno
ou repassados para um PC(personal computer, ou computador pessoal). A sua alimentação se
dá pela porta USB conectada ao PC ou por uma fonte externa de até 25V (INTERFACING...,
2009).
A linguagem de programação do Ardu´ıno é simples e sua sintaxe se assemelha muito ao
C++ e ao Java. Um programa t´ıpico possui duas funções básicas, o “void setup()”, que é execu-
tada logo no in´ıcio do programa, e o “void loop()”, que é a função executada repetidamente pelo
microcontrolador. Fora elas existem diversas outras funções como por exemplo as que fazem
com que um pino emita e receba sinais digitais ou analógicos.
O modelo do Ardu´ıno escolhido para ser utilizado neste projeto foi o Freeduino BR v1.0
que utiliza um microcontrolador ATMega328P com interface USB e também um conector de
alimentação externa.
Uma série de vantagens fazem do Ardu´ıno a escolha para ser utilizada neste projeto, den-
tre eles estão seu preço atrativo, programação descomplicada e fácil manuseio. Os comandos
simples simplificam diversos passos do projeto, dando espaço para a equipe focar a atenção em
outras partes, como na montagem dos sensores e no funcionamento dos motores.

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2.2 MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA
Motores elétricos convertem energia elétrica em mecânica. Existem motores de corrente
cont´ınua (CC) e de corrente alternada (CA), cada um com diversas variações. Motores de
corrente alternada são geralmente usados para máquinas grandes e recebem energia diretamente
da rede de distribuição de energia. Segundo (JONES; FLYNN; SEIGER, 1999), robôs móveis
usam tipicamente corrente cont´ınua, pois sua fonte de energia é uma bateria.
Para as necessidades de locomoção de um robô, o motor gira em uma velocidade muito alta
e com um torque muito baixo. Para inverter essa relação, o motor deve ser ligado a uma caixa de
redução que produz uma nova sa´ıda que gira mais devagar, porém com um torque maior. Muitos
motores CC são vendidos com a caixa de redução já instalada, como é o caso do adquirido para
este projeto.
Os motores de corrente cont´ınua têm pelo menos dois terminais que ao se aplicar uma
tensão nestes terminais o motor gira em um sentido e invertendo a polaridade da entrada o
motor gira no sentido contrário.
Alguns motores CC, como motores de passo, tem mais que dois terminais. Os sinais apli-
cados nestes terminais energizam partes do motor organizadamente de modo a controlar o ciclo
interno do motor. Este controle permite saber a posição do motor em cada instante e obter uma
precisão maior da velocidade de rotação do motor. Neste projeto a trajetória do robô pode ser
constantemente corrigida a partir da linha, então não será necessário o uso desse tipo de motor.
Figura 3: Estrutura de um motor de corrente cont´ınua.
Fonte: (ANTUNES, 2009)
A figura 3 mostra uma simplificação de um motor CC com imã permanente. Quando um
fio mergulhado em um campo magnético é atravessado por uma corrente, surge uma força. O

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sentido e a intensidade dessa força podem ser calculados pela equação 1.
F = iLxB (1)
Duas vezes por ciclo os comutadores mudam de contato, invertendo o sentido da corrente na
armadura. Esta mudança do sentido da corrente é essencial para que o torque sobre o comutador
esteja atuando sempre no mesmo sentido.
A corrente de partida de motores CC é muito grande, as vezes até maior que o valor em
regime permanente. Isto ocorre pois quando o motor é ligado, a armadura está parada e por-
tanto a força contra-eletromotriz E é nula. Logo, toda a tensão sobre o motor é aplicada na
resistência da armadura, que é pequena, resultando em uma corrente alta. Isto pode ser melhor
compreendido através da equação 2.
V = RI +E (2)
Por outro lado, essa mesma equação nos mostra que quando a tensão no motor é cessada
bruscamente, a energia armazenada na armadura transforma-se em uma corrente reversa. Para
prevenir que esta corrente danifique o circuito são colocados diodos em paralelo com os transi-
stores.
Os motores comprados para o robô são do modelo AK280/5-R330, (TECNOL ÓGICAS, ),
e foram comprados com caixa de redução de 1 para 70 embutidos. O motor com a caixa de
redução está representado na figura 4. A eficiência máxima do motor é atingida em 1,44 A, o
motor aplica um torque de 0,63 kgf · cm e atinge a velocidade ângular de 280 rpm. Com as
rodas e a caixa de redução isto resulta em um torque de 17,3 N e uma velocidade de 1,7 cm/s.
Figura 4: Motor AK2800/5-R330.
Fonte: Autoria Própria.

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2.3 PONTE H
Dentro do projeto, os motores CC precisam ser acionados nos dois sentidos, portanto há a
necessidade de controlar o sentido da corrente fornecida para que o motor inverta o sentido de
rotação. Esse controle é feito pela ponte H, figura 5, que controla o sentido da corrente para o
motor através da disposição de quatro chaves eletrônicas em que o motor é posicionado entre
elas, de modo que formem uma letra “H”, da´ı o seu nome.
Figura 5: Esquema de Ponte H.
Fonte: (PATSKO, 2006)
O fornecimento de corrente ocorre pelo fechamento das chaves duas a duas, de tal forma
que a fonte e o terra estejam em posições alternadas dos pólos do motor como indicado na
imagem 6.
Figura 6: Funcionamento da Ponte H.
Fonte: (PATSKO, 2006)
Caso seja necessário parar o motor CC, a ponte H propicia duas formas distintas para fazê-
lo. A primeira consiste em abrir as quatro chaves da ponte, fazendo com que a corrente gerada

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pela fonte não circule pelo motor, então o movimento nele é apenas inercial e cessa suavemente
devido apenas pela força do atrito. A segunda maneira é feita fechando as duas chaves superi-
ores, que estão ligadas a fonte, ou fechando as duas chaves inferiores, ligadas ao terra. Desta
forma produz-se um “freio eletrônico”, parando o motor quase instantaneamente. Isso ocorre
pois as chaves fazem com que o motor entre num “curto-circuito” e seja freado justamente pela
corrente inversa gerada pela natureza indutiva do próprio motor, que o obriga a girar em sentido
contrário.
Um caso especial que se deve tomar cuidado é a de não fechar as quatro chaves ao mesmo
tempo ou duas chaves de um mesmo lado, pois isso faz com que “o fluxo da corrente vá direto
do pólo positivo para o negativo, causando um curto-circuito fatal para a fonte de alimentação
e para os componentes eletrônicos envolvidos no circuito” (PATSKO, 2006).
No caso deste projeto, a equipe envolvida pode optar por duas formas distintas da ponte
H, montar uma com componentes discretos, como transistores e diodos ou utilizar o circuito
integrado L298N (MICROELECTRONICS, 2000).
Na ponte H com componentes discretos, figura 7, foram utilizados transistores MOSFETs
como chaves que para fechá-las basta colocar uma tensão na base deles. Os resistores são
adicionados para evitar que haja sobrecarga da corrente e os diodos para evitar que uma poss´ıvel
corrente reversa gerada ao acionar o freio dos motores possa danificar o circuito.
Figura 7: Ponte H feita apartir de componentes discretos.
No L298N, figura 8, são implementadas duas pontes H. A sua utilização é diferente da
ponte H anterior e possui algumas peculiaridades como podem ser observadas no datasheet.
Dentre as diferenças estão: a existência do “sense” que deve ser conectada a um resistor para o
terra com o intuito de controlar a corrente de carga de cada ponte; a existência de quatro pinos

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Figura 8: Ponte H L298N.
“out”, duas para cada ponte, que é por onde sai a corrente controlada; a existência de um pino
“Vs” para a entrada da tensão das duas pontes; “VSS” para a alimentação dos blocos lógicos;
“GND” para o terra; dois “Enable”, um para cada ponte, que funciona justamente para ativar
as pontes; e quatro pinos “Input”, dois para cada ponte, que determinam por qual “out” sairá a
tensão fornecida em “Vs”. No datasheet consta ainda quatro estados para a ponte H: no caso do
Input1 estar recebendo sinal e do Input2 não, o motor funciona para “frente”, no caso contrário
o motor funciona para “trás”. Caso os dois Input estejam iguais, ou seja, ambos recebendo sinal
ou ambos não recebendo sinal, temos o freio do motor, e caso enable seja desligado o motor
roda apenas com a inércia.
Por fim, a equipe decidiu pela utilização do L298N, pois o seu encapsulamento, figura 9, já
possui duas pontes H integradas, ideal para o caso, pois necessitamos controlar dois motores CC
de forma independente através do microcontrolador. Além disso outra vantagem é o seu dimen-
sionamento, pois ocupa um espaço muito menor do que duas pontes H feitas com componentes
discretos.
2.4 SENSOR
Os sensores utilizados no projeto são fototransistores e fotodiodos, funcionando como re-
ceptores e emissores respectivamente. Basicamente eles verificam se o protótipo está ou não
em cima do seu trajeto e se ele precisa fazer alguma correção na rota.
Todo o funcionamento desses sensores está baseado numa propriedade fundamental dos fo-

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Figura 9: Pinos de Conexão - L298N
Fonte: (MICROELECTRONICS, 2000)
Figura 10: S´ımbolo Fotodiodo.
todiodos, cujo s´ımbolo está representado na figura 10. Esses componentes eletrônicos quando
instalados em polaridade reversa possuem uma resistência elétrica praticamente infinita assim
como qualquer diodo em polaridade reversa. No entanto quando um feixe de luz infravermelha
é direcionado para o fotodiodo, sua resistência elétrica cai drasticamente e é através dessa pro-
priedade que é poss´ıvel verificar se o robô móvel está ou não sobre a faixa de cor escura utilizada
para orientar o percurso que deverá ser percorrido. O funcionamento do fototransistor é basica-
mente o mesmo do fotodiodo, entretanto ele é mais sens´ıvel ao sinal luminoso pois basta uma
pequena corrente na base para que ele altere seu estado verificando então a presença da luz.
O diodo emissor (LED) emite um feixe luminoso que reflete sobre uma superf´ıcie de cor
clara e incide no fototransistor, ”receptor ”, diminuindo sua resistência e permitindo a passagem
de corrente que é verificada pelo Ardu´ıno. Como a faixa é de cor escura, o feixe luminoso
emitido pelo LED é absorvido fazendo com que não haja passagem de corrente pelo fotodiodo.
Com isso é verificado se o “carro” está ou não sobre o percurso indicado. Como escolhemos
criar um percurso de cor escura o Ardu´ıno interpreta a “ausência de luz” como caminho e a

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presença, no caso a reflexão da luz emitida, como sendo o fundo fora do caminho. A figura 11
mostra o esquema do circuito individual dos sensores:
Figura 11: Circuito do Sensor
A figura 12 mostra como funciona a verificação da presença ou não do percurso e a disposição
do par de sensores.
Figura 12: Verificação pelo sensor da presença da linha.
Os sensores estão dispostos em pares (receptor e emissor) próximos um do outro que são
distribu´ıdos de tal forma que um fica na faixa central do robô e os outros dois ficam adiantados
e mais para as laterais, com uma distância maior que o da faixa preta utilizada como caminho.
Incialmente, foi previsto que seria necessário haver um isolamento lateral entre o emissor e

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o receptor para que não houvesse interferência na captação do sinal, entretanto após feitos
alguns testes verificou-se que tal isolamento era desnecessário pois não gerava tal interferência,
pelo contrario, ele atrapalhava na reflexão da luz. Eles estão levemente inclinados na diagonal
para haver uma reflexão mais precisa e dispostos a uma altura próxima de dois cent´ımetros do
solo. Quanto à quantidade de sensores são três pares (receptor e emissor) dispostos de maneira
semelhante à figura 13:
Figura 13: Disposição dos Sensores.
Tal disposição foi escolhida para que os sensores funcionem da seguinte maneira: o sensor
mais recuado verifica sempre se o carrinho está ou não no percurso, funcionando como uma
espécie de “estado presente” enquanto os dois mais a frente verificarão em qual direção o carro
deverá seguir caso haja uma mudança de trajetória (uma curva), funcionando como verificador
de “estado futuro” do protótipo.
2.5 PWM
Um dos objetivos da equipe é poder controlar a velocidade com que os motores do robô
giram para melhorar a sua resposta em uma curva. Para isso é necessário que a tensão fornecida
para o motor seja variável, entretanto isso não seria poss´ıvel, à primeira vista, utilizando pu-
ramente sinais digitais, que funcionam somente com zero ou tensão máxima. A pulse width
modulation (PWM), ou modulação por largura de pulso, serve justamente como técnica para
obter um sinal analógico a partir de um digital.
Tendo um circuito que possui apenas uma chave e uma carga qualquer, quando a chave é
ligada passará a potência máxima sobre a carga e quando ela está desligada a potência será nula.

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A pergunta é como fazer para obter um valor diferente de potência sobre a carga entre este valor
nulo e a potência máxima, a´ı está o ponto em que entra a idéia do PWM (GHIRARDELLO,
2008) .
O PWM consiste em um padrão de rápida alternância entre liga e desliga de um per´ıodo
T, na qual, parte do tempo ela estará em estado ativo e parte do tempo em estado desativado.
Vemos assim que a potência média aplicada a carga pode ser diferente dos valores digitais e que
a tensão sobre a carga varia. Veja figura 14.
Figura 14: PWM variando a tensão média.
Fonte: (GHIRARDELLO, 2008)
A relação (t1÷t)×100 % é chamada de ciclo ativo (duty-cicle) do PWM, sendo o tempo em
que ele fica ativo igual a t1 e o per´ıodo igual a t. Caso o ciclo ativo seja igual a 0% o circuito está
desligado e caso o ciclo ativo seja 100% o circuito estará sempre ligado. A figura 15 demonstra
o que foi explicado.
Figura 15: Definição de Ciclo Ativo.
Fonte: (GHIRARDELLO, 2008)
Utilizando o microcontrolador Ardu´ıno é poss´ıvel fornecer este tipo de sinal utilizando as
portas adequadas e o comando em código “analogWrite(valor)”, em que valor varia de 0 a 255,
sendo 255 a tensão máxima.

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Na figura 16 pode-se ver um gráfico representando o funcionamento do PWM para valores
variados da função “analogWrite”.
Figura 16: Gráficos de PWM com comandos do Ardu´ıno.
Fonte: (NASCIMENTO; DIAS; ZORZO, 2008)

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3 DESENVOLVIMENTO PR ÁTICO
3.1 ESTRUTURA
O chassi do robô foi feito utilizando papel foam que é um material que é r´ıgido e leve ao
mesmo tempo além de podes ser facilmente modelado, caracter´ısticas ideais para um protótipo.
Os motores com redução e os demais itens para a montagem dos circuitos foram adquiridos em
lojas de eletrônica e as rodas foram compradas através da Internet. O preço de cada componente
pode ser encontrado no apêndice A.
Os sensores ficam sob a parte dianteira do robô e sobre o foam estão os motores seguidos
pelo Ardu´ıno, pela bateria e pela ponte H. Além das duas rodas do motor o robô é sustentado
por mais duas rodinhas menores na traseira. Isso pode ser melhor compreendido através da
figura 17.
A alimentação dos sensores e a da ponte H é feita pelo próprio Ardu´ıno, que é por sua vez
alimentado por uma bateria de 9 V. Os motores são alimentados por um casulo de 6 pilhas AA
em série de 1,5 V, somando cerca de 9 V. Para desligar o carrinho foi adicionado uma chave que
pode desconectar a bateria do circuito.
Sob o comando do Ardu´ıno a ponte H pode controlar a velocidade e o sentido da rotação
dos motores. O controle da velocidade é permitida através do comando de PWM do Ardu´ıno
que varia a tensão de entrada na ponte H.
3.2 SOFTWARE
O software para controlar o robô foi implementado na linguagem própria do Ardu´ıno. O
programa possui duas funções básicas, o setup() e o loop() ambas não possuem retorno. A
função setup() é chamada pelo Arduino uma única vez logo no começo do programa, ou seja,
ocorrendo a cada vez que o Arduino é ligado ou resetado. O propósito da função é a de en-
capsular todas as linhas de código que são utilizadas para inicialização, como a definição dos
pinos ou as bibliotecas a serem utilizadas. A função loop(), por sua vez, encapsula as linhas

21
Figura 17: Disposição dos componentes do robô sobre o chassi.
de código que serão rodadas em um laço infinito logo após o término do setup(), permitindo
que o Ardu´ıno receba dados, mude de estado e as responda conforme programado. A seguir
será explicado brevemente o funcionamento do programa, cujo código pode ser consultado no
apêndice C desta monografia.
No programa utilizado pelo robô, o setup() inicializa sete terminais ao todo, três para lerem
cada um dos três sensores do robô e os outros quatro para controlar os motores através da ponte
H, sendo dois terminais para cada motor, um deles estará polarizado em n´ıvel lógico baixo
e o outro em n´ıvel lógico alto, que dependendo da ordem o motor rotacionará para sentidos
contrários. Terminado a inicialização dos terminais, o Arduino chama o loop() e começa a
rodá-lo repetidamente. Dentro dele há quatro condicionais básicas. A primeira é para o caso
da linha ser detectada pelo sensor frontal direito, fazendo com que o motor esquerdo tenha uma
velocidade maior que o direito. A segunda é para o caso da linha ser detectada pelo sensor
frontal esquerdo, fazendo com que o motor direito tenha uma velocidade maior que o esquerdo.
A terceira é para o caso da linha ser detectada somente pelo sensor central, fazendo com que os
dois motores tenham a mesma velocidade. A última é para o caso da linha não ser detectada por
nenhum dos sensores, então avalia-se qual dos três casos anteriores foi o último a ser rodado.
Essa informação é guardada por uma variável global chamada “ultimoEstado” que é alterada
conforme o estado atual, por padrão ele é inicializado como se o último estado tivesse sido uma

22
reta. Caso o último estado tenha sido uma curva para a direita, o programa para o motor da
direita e faz o motor da esquerda funcionar numa velocidade mais baixa. Caso tenha sido para
a esquerda, o programa faz o mesmo, mas para os motores trocados. Caso tenha sido uma reta,
então os motores são ligados para fazerem o robô andar de ré.
Cada uma das quatro condicionais possui um filtro para evitar que leituras errôneas e mo-
mentâneas afetem o robô de forma percept´ıvel. Esse filtro funciona de tal maneira que faz
contagens de quantas vezes dada leitura ocorre, somente depois de ocorrer por 5 vezes o código
da condicional é realmente rodado. Esse filtro foi implementado pois já havia sido constatado
que o Ardu´ıno acaba lendo erroneamente os dados dos sensores por algumas raras vezes, mas
que poderiam tornar a trajetória do robô caótica por alguns instantes.
Na figura 18 temos o diagrama de estados do programa utilizado.
Figura 18: Diagrama de Estados.

23
4 CONCLUS ÃO
O projeto desenvolveu um robô seguidor de linhas personalizado ao utilizar uma ponte H e
propor uma disposição diferente dos sensores. Os robôs mais simples podem usar um transistor
no lugar da ponte H e apenas dois sensores. Essas personalizações no projeto permitiram de-
senvolver um algoritmo para voltar em busca da linha quando nenhum sensor está a detectando.
O software armazena o estado anterior devido o caso da perda da linha e faz o carrinho voltar
em marcha ré pelo mesmo caminho percorrido antes de perdê-la ou acentuar a curva, assim
espera-se que os sensores voltem a detectar a linha.
O microcontrolador possui entradas e sa´ıdas de dados não utilizadas permitindo a expansão
do número de sensores ou outros dispositivos. O software também pode ser melhorado, in-
cluindo algoritmos para outros casos, quando a pista for mais complexa. Já o Ardu´ıno possui
memória dispon´ıvel para expansão. Os motores também estão superdimensionados e oferecem
uma força e velocidade acima do necessário.
A equipe investiu tempo demasiado para a escolha e compra dos motores, afetando profun-
damente as previsões iniciais do cronograma do projeto. Faltou montar o robô em uma estrutura
mais confiável que o foam, como madeira ou acr´ılico. No entando, os objetivos da disciplina
que eram utilização de sensores fornecidos por eles foram plenamente atingidos pelo grupo.

24
REFER ÊNCIAS
ANTUNES, F. L. M. Motores de Corrente Cont´ınua. 2009. http://www.dee.ufc.br/ fan-
tunes/Maquinas EletricasI/Aulas/MotoresCorrenteContinua-Impressao.pdf. Acesso em: 20 nov.
2009.
BANZI, M. et al. ARDUÍNO. 2006. http://www.arduino.cc.
GHIRARDELLO, A. Apostila sobre Modulação PWM. 2008.
http://www.eletronica.org/arq apostilas/apostila pwm.pdf. Acesso em: 20 nov. 2009.
INTERFACING with Hardware. [S.l.]: Arduino, 2009.
http://www.arduino.cc/playground/Main/InterfacingWithHardware. Acesso em: 12 nov.
2009.
JONES, J. L.; FLYNN, A. M.; SEIGER, A. B. Mobile Robots: Inspiration to Implementa-
tion. 2. ed. [S.l.]: Natick, Massachusetts: A K Peters, 1999.
MICROELECTRONICS, S. T. L298 datasheet. 2000.
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXrqqxz.pdf.
NASCIMENTO, L. P.; DIAS, L. del C.; ZORZO, R. de R.
Cadeira de Rodas Motorizada — Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba,
2008.
PATSKO, L. F. Tutorial Montagem da Ponte H. 2006.
http://www.maxwellbohr.com.br/downloads/Tutorial Eletronica - Montagem de uma Ponte
H.pdf.
TECNOL ÓGICAS, A. S. AK280 com redução. http://www.motores.akiyama.com.br/pdf/AK
280 - Red.pdf.

25
AP ÊNDICE A -- ORÇ AMENTO
Aqui estão listados todas os itens utilizados em nosso projeto.
Tabela 1: Itens utilizados para a montagem do robô
Nome Quantidade Preço por unidade (R$)
Motor DC com caixa de Redução AK280/5-R330 2x 37,00
Microcontrolador Freeduino BR v1.0 ATMEGA328 e Shield 1x 110,00
Roda com 80 mm de diâmetro 2x 10,00
LED Emissor INFRA-RED 3x 0,50
Fotodiodo 3x 0,50
Circuito Integrado L298N 1x 15,00
Resistores de 1 MΩ 3x 0,20
Resistores de 100 Ω 3x 0,20
Resistores de 1 Ω 2x 0,20
Capacitor 100nF 2x 0,30
Diodo 1N4004 4x 0,20
Placa de Circuito 10x5 cm 2x 3,00
Suporte para 6 Pilhas AA 1x 5,00
Pilha AA 6x 1,00
Roda Auxiliar 1x 0,00
Placa de Foam 30x15 cm 1x 0,00
Total 1x 242,00

26
AP ÊNDICE B -- REUNI ÕES (APS)
Para atender os pedidos de execução dos APS por parte da Universidade Tecnológica Fed-
eral do Paraná os professores da matéria de Oficinas de Integração 2 decidiram pela realização
de registros acerca da evolução do projeto. Esses registros deveriam ser simples, constando os
passos mais importantes ou as reuniões feitas pela equipe e os temas tratados durante o per´ıodo
em questão.
Segue abaixo os registros feitos desde o pedido do APS feito pelos professores até a con-
clusão da monografia, antes de sua impressão.
Reunião pela internet (16/09/2009)
Integrantes: Marcelo e William
Tópicos abordados: motores a serem utilizados, PWM do Arduino e explicação teórica dos
tópicos.
Tópicos resolvidos: utilização do PWM no Arduino através de uma ponte H.
Tópicos pendentes: escolha do motor ideal.
Reunião na UTFPR (25/09/2009)
Integrantes: William
Tópicos abordados: Ponte H (mosfets)
Tópicos conclu´ıdos: funciona, mas uma única ponte H
Integrantes: Marcelo e William
Tópicos abordados: Composição do robô, união de sensores + ponte H + Arduino.
Tópicos conclu´ıdos: reunião na terça (29/09/2009) para resolver os esquemas de sensores

27
+ ponte H + Arduino.
Reunião casa do William (29/09/2009)
Integrantes: Lucas, Marcelo, William, Ricardo
Tópicos abordados: Montagem da ponte H (L298N)
Tópicos conclu´ıdos: Montagem feita na protoboard, utilizando o CI, bateria 9V. Funciona
com dois num único CI. Mas o L298N funcionou parcialmente, mandado para o Lucas Longen
para fazer reparos.
Reunião em aula (07/10/2009)
Integrantes: William, Lucas, Ricardo, Marcelo
Tópicos abordados: L298N
Tópicos conclu´ıdos: Mal contatos resolvidos, ponte H funcionando, mas a bateria de 9V
não fornece corrente suficiente para partida dos motores através da ponte H, necessário uma
fonte diferente. Desenvolvimento do layout dos sensores.
Tópicos pendentes: Próximo passo é o desenvolvimento da carcaça do robô.
Tópicos abordados: Relatório de Qualificação.
Tópicos conclu´ıdos: Ajustes finais do relatório que foi feito em OpenOffice.
Tópicos abordados: Redução da ponte H, programas controladores do robô e rodinhas para
o robô.
Tópicos resolvidos: Ponte H pronta para ser passada para a placa de circuito universal.
Programa semi-pronto.
Tópicos pendentes: Rodinhas para o robô.

28
Integrantes: William, Lucas, Ricardo
Tópicos abordados: Rodinhas do robô
Tópicos resolvidos: Compra decidida e efetuada.
Pós reunião: chegada prevista inicialmente para 28/10/2009. Chegada efetiva das rodinhas
para o robô em 30/10/2009.
Reunião na casa do William (04/11/2009)
Integrantes: William, Lucas
Tópicos abordados: Encaixe das rodinhas.
Tópicos conclu´ıdos: Encaixe das rodinhas auxiliado por um pedaço de tecido.
Tópicos pendentes: Montagem do robô.
Reunião na casa do William (10/11/2009)
Tópicos abordados: montagem do robô.
Tópicos conclu´ıdos: Montagem dos sensores na placa de circuito universal e chassi feito a
partir de papel foam.
Tópicos pendentes: Montagem da ponte H, interruptor de energia no shield do Arduino,
reunião das peças no chassi.
Tópicos abordados: Montagem do robô
Tópicos conclu´ıdos: Circuito dos sensores pronto e preso ao corpo do robô, motores com
roda prontos e preso ao robô, placa de circuito universal da ponte H semi-pronto, Shield do Ar-
duino preparado para receber os contatos, primeira versão do programa pronta para ser testada.

29
Tópicos pendentes: Esquema do interruptor, problema na fonte de alimentação → ponte H
→ motores, falta de corrente ou tensão.
Tópicos abordados: Monografia
Tópicos conclu´ıdos: Layout final, orçamento semi-pronto, estrutura semi-pronta.
Tópicos pendentes: Orçamento, resumo das reuniões, estrutura do robô, problemas e soluções,
próximos passos.
Tópicos abordados: Montagem do robô
Tópicos conclu´ıdos: Placa de circuito universal da ponte H pronto, shield do Arduino com
interruptor e plug de alimentação. 4 pilhas AA são suficientes para dar partida nos motores.
Tópicos pendentes: Fixar os circuitos no chassi no robô. Ligar ponte H, sensores e fonte de
alimentação no Arduino. Ligar motores na ponte H. Conclusão da monografia.
Tópicos abordados: Monografia
Tópicos conclu´ıdos: Resumos das reuniões para APS de Oficinas de Integração 2. Pas-
sagem da monografia para a segunda versão do LATEX. Orçamento. Parte da explicação sobre
estrutura.
Tópicos pendentes: Explicação sobre o software e a conclusão.
Reunião na UTFPR e na casa do William (19/11/2009)
Tópicos abordados: Montagem do Robô

30
Tópicos conclu´ıdos: Soldagem dos componentes, problemas com alimentação e sensores.
Orçamento.
Tópicos pendentes: Consertar um receptor queimado. Fazer testes.

31
AP ÊNDICE C -- C ÓDIGO DO PROGRAMA DESENVOLVIDO
Listagem C.1: Código comentado do programa que controla o robô.
1 i n t s1 = 4; / / Sensor 1 , f r e n t e d i r e i t o
2 i n t s2 = 2; / / Sensor 2 , f r e n t e esquerdo
3 i n t s3 = 3; / / Sensor 3 , t r a s
4
5 / /MOTOR A , lado esquerdo
6 i n t mA1 = 11; / / Motor A 1
7 i n t mA2 = 10; / / Motor A 2
8
9 / /MOTOR B , lado d i r e i t o
10 i n t mB1 = 5; / / Motor B 1
11 i n t mB2 = 6; / / Motor B 2
12
13 i n t normalA = 255;
14 i n t normalB = 255;
15 i n t correcaoA = 220; / / Diminuicao da rotacao de um motor para correcao da
rota
16 i n t correcaoB = 220; / / Diminuicao da rotacao de um motor para correcao da
rota
17 i n t parado = 0;
18
19 i n t LINHA = LOW, FUNDO= HIGH;
20
21 / / FILTRO
22 i n t f i l t r o C u r v a D = 0;
23 i n t f i l t r o C u r v a E = 0;
24 i n t f i l t r o R e t a = 0;
25 i n t f i l t r o N a d a = 0;
26 i n t f i l t r o N = 5;
27
28 i n t RETA = 1;
29 i n t DIREITA = 2;
30 i n t ESQUERDA = 3;

32
31 i n t ultimoEstado = RETA;
32
33 void setup ( )
34 {
35 pinMode ( s1 , INPUT) ;
38
39 pinMode (mA1, OUTPUT) ;
40 pinMode (mA2, OUTPUT) ;
41
42 pinMode (mB1, OUTPUT) ;
43 pinMode (mB2, OUTPUT) ;
44
45 / / S e r i a l . begin (9600) ;
46 }
47
48 void loop ( )
49 {
50 i f ( d i g i t a l R e a d ( s2 ) ==LINHA)
51 {
52 / / CASO: CURVA DIREITA
53 f i l t r o C u r v a D ++;
54 i f ( f i l t r o C u r v a D >= f i l t r o N )
55 {
56 analogWrite (mA1, normalA ) ;
57 d i g i t a l W r i t e (mA2, LOW) ;
58
59 analogWrite (mB1, correcaoB ) ;
60 d i g i t a l W r i t e (mB2, LOW) ;
61
62 f i l t r o C u r v a D = 0;
63 ultimoEstado = DIREITA ;
64 }
65 }
66 e l s e i f ( d i g i t a l R e a d ( s1 ) ==LINHA)
67 {
68 / / CASO: CURVA ESQUERDA
69 f i l t r o C u r v a E ++;
70 i f ( f i l t r o C u r v a E >= f i l t r o N )
71 {
72 analogWrite (mA1, correcaoA ) ;

33
74
75 analogWrite (mB1, normalB ) ;
77
78 f i l t r o C u r v a E = 0;
79 ultimoEstado = ESQUERDA;
80 }
81 }
82 e l s e i f ( d i g i t a l R e a d ( s3 ) ==LINHA && d i g i t a l R e a d ( s2 ) ==FUNDO && d i g i t a l R e a d ( s1
) ==FUNDO)
83 {
84 / / CASO: LINHA RETA
85 f i l t r o R e t a ++;
86 i f ( f i l t r o R e t a >= f i l t r o N )
87 {
88 analogWrite (mA1, normalA ) ;
90
91 analogWrite (mB1, normalB ) ;
93
94 f i l t r o R e t a = 0;
95 ultimoEstado = RETA;
96 }
97 }
98 e l s e i f ( d i g i t a l R e a d ( s3 ) ==FUNDO && d i g i t a l R e a d ( s2 ) ==FUNDO && d i g i t a l R e a d ( s1
) ==FUNDO)
99 {
100 / / CASO: LINHA SUMIU
101 f i l t r o N a d a ++;
102 i f ( f i l t r o N a d a >= f i l t r o N )
103 {
104 i f ( ultimoEstado == DIREITA )
105 {
108
111 }
112 e l s e i f ( ultimoEstado == ESQUERDA)
113 {

34
116
117 analogWrite (mB1, correcaoB ) ;
119 }
120 e l s e i f ( ultimoEstado == RETA)
121 {
122 d i g i t a l W r i t e (mA1,LOW ) ;
124
126 d i g i t a l W r i t e (mB2, correcaoB ) ;
127 }
128 f i l t r o N a d a = 0;
129 }
130 }
131
132
133 }

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