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Motores e Sensores

5 Sensores

A Internet das Coisas e Sensores

Figura 25 - Representação de um sistema de carro e casa conectado.

Figura 24 – Representação de um sistema de carro e casa conectado.

A nova tendência da tecnologia é o uso de sensores para obter informações de forma mais ágil e eficiente de tudo aquilo que possa ser medido, tornando-se relevante para pesquisas, indústria, saúde, meio ambiente, comércio e residências, ou seja, nas vidas das pessoas. Os sensores já eram utilizados há muito tempo, porém, pelo avanço da internet processos antes caros se tornaram mais acessíveis, desde comunicação, computação e processamento de dados.

Figura 25 - Monitoramento do meio que se encontra a planta.

Figura 25 – Monitoramento do meio que se encontra a planta.

As grandes quantidades de informações obtidas por meio de sensores em conjunto com internet e bancos de dados poderão resultar em soluções para diversos problemas cada vez mais comuns na vida das pessoas – desde a área de saúde até os meios de transporte. Assim, por meio de sensores que vão desde sistemas de câmeras até sensores de toques, os objetos são capazes de monitorar, coordenar ou controlar através de uma rede de dados ou da Internet.  Assim define-se A Internet das Coisas ou Internet of Things (IOT).

5.1 Definição de Sensores

Em geral, Sensores são dispositivos capaz de detectar ações ou estímulos externos e responder em consequência. Estes aparelhos podem transformar as grandezas físicas ou químicas em grandezas elétricas.

Figura 26 - Projeto de robô que adota sensores de Infravermelho e ultrassom.

Figura 26 – Projeto de robô que adota sensores de Infravermelho e ultrassom.

Na eletrônica, um sensor é conhecido como qualquer componente ou circuito eletrônico que permita a análise de uma determinada condição do ambiente, podendo ela ser algo simples como temperatura ou luminosidade; uma medida um pouco mais complexa como a rotação de um motor ou a distância de um carro até algum obstáculo próximo.

Nos projetos de robótica adota-se em geral três tipos de sensores: ultrassom, infravermelho e LDR. Podem-se divididos em duas categorias: sensores de linha e obstáculos.

5.2 Sensores de Linha com LDR

Figura 27 - LDR

Figura 27 – LDR

O sensor de linha é utilizado comumente em robôs seguidores de linha ou qualquer aplicação que necessite identificar maior ou menor reflexão de luz.

Características

Os sensores resistivos são aqueles que em circuitos comportam-se como resistores, mas, devido a certas propriedades físicas ou químicas, variam o valor de sua resistência de acordo com certas características, como luminosidade ou temperatura. Esses são os modelos mais comuns, dentre os quais podemos destacar o LDR.

Quando um LDR, um dispositivo cuja resistência varia de acordo com a luminosidade, é submetido a uma luz cada vez mais intensa, pode-se verificar que sua resistência diminuirá gradativamente. Utilizando um circuito divisor de tensão, podemos fazer com que através dessa variação da resistência, haja uma variação na tensão. E assim, utilizados em projeto com dispositivos com arduino.

Figura 28 - Funcionamento de LDR.

Figura 28 – Funcionamento de LDR.

Funcionamento

O sensor de linha com LDR e composto por um LED emissor e LDR receptor com esse conjunto de dispositivo é possível detectar a linha preta. O emissor emite a luz infravermelha e quando essa luz for refletida, o receptor LDR irá receber a luz, através de um dispositivo específico como arduino é possível detectar essa recepção. Quando for refletida e recebida pelo receptor, será indicado que abaixo do nosso receptor tem uma superfície que reflete a luz.

Figura 29 - Funcionamento de sensor de linha com LDR.

Figura 29 – Funcionamento de sensor de linha com LDR.

Quando o sensor estiver acima da faixa preta, haverá pouca reflexão de luz, então com isso podemos afirmar que está sobre à faixa preta. Ao se detectado que o sensor saiu da faixa preta pode-se acionar motores que conduziram para a faixa da linha novamente, por essa razão chamamos de seguidor de linha ou sensor de linha.

Figura 30 - Funcionamento do sensor de linha com LDR.

Figura 30 – Funcionamento do sensor de linha com LDR.

Vantagens

Figura 31 - Projeto de robô usando sensor de LDR.

Figura 31 – Projeto de robô usando sensor de LDR.

Projetos de sensores de linhas construídos com esse sensores são mais baratos que os utilizados com infravermelho.

Desvantagens

  • Necessita de uma superfície de com poucas variação de coloração e tonalidade.
  • Interferência de luz externa.
  • Pouco sensível comparado com infravermelho.

5.3 Sensor de linha com infravermelho

Características

Figura 32 - Sensor de linha com LDR.

Figura 32 – Sensor de linha com LDR.

Um sensor de infravermelho pode ser passivo ou de recepção ou ativo ou de emissão ativo é composto por um emissor de luz infravermelha e um receptor, que reage a essa luz. Por sua vez, um sensor de infravermelho passivo não emite luz infravermelha, mas apenas capta esse tipo de luz no ambiente.

Figura 33 - Robo que utiliza sensor de linha com IR.

Figura 33 – Robô que utiliza sensor de linha com IR.

Funcionamento

Figura 34 - Robô se movimentando na faixa preta.

Figura 34 – Robô se movimentando na faixa preta.

Com um emissor e um receptor infravermelho é simples detectar a linha preta. O emissor emite a luz infravermelha e quando essa luz for refletida, o receptor irá receber a luz e através do Arduino é possível detectar essa recepção. Quando for refletida e recebida pelo receptor, será indicado que abaixo do nosso receptor tem uma superfície que reflete a luz.

Quando o sensor estiver acima da fita isolante, por ela ser preta, não refletirá luz, então com isso podemos afirmar que está sendo detectando a linha preta. Ao detectar se o carrinho está saindo da linha, acionamos os motores de forma a nunca permitir que saia da linha.

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Com essa montagem de emissor + receptor, estamos trabalhando com uma lógica binária, reflete luz ou não reflete, ou seja, ou o sensor está acima de superfície clara ou o sensor está acima da linha preta.

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Vantagens

Figura 37 - Sensor de linha com LDR.

Figura 35 – Sensor de linha com LDR.

Umas das grandes vantagens do uso do infravermelho estão a sua imunidade à interferências sonoras e possibilidade de ser transmitido e recebido com componentes comuns de baixo custo e fácil utilização.

Desvantagens

O problema com essa tecnologia é que pode ser facilmente interferida por outras fontes de luz ao redor, diminuindo sua precisão sendo bloqueado por obstáculos e refletindo-se em alguns materiais. Para que esse sistema funcione é preciso observar diversos fatores que podem influir no seu desempenho. À medida que se necessita de um alcance maior, a velocidade de transmissão de dados começa a ser comprometida.

5.4 Sensores de obstáculos com ultrassom

Figura 38 - Robô que se utiliza de sensor de obstáculo de ultrassom.

Figura 36 – Robô que se utiliza de sensor de obstáculo de ultrassom.

Características

Os sensores de ultrassom ou ultrassônicos são sensores que detectam a presença de obstáculos e que podem calcular a distância em que se encontram estes obstáculos. O seu princípio de funcionamento baseia-se na emissão de ondas sonoras de alta frequência e na medição do tempo que o eco produzido, quando esta onda se choca com um objeto capaz de refletir o som, leva para voltar até o receptor. Possuem este nome por trabalharem com frequências acima das frequências audíveis.

Figura 39 - Ultrassom.

Figura 37 – Ultrassom.

Funcionamento

Figura 40 - Circuito do ultrassom dispositivo para arduino.

Figura 38 – Circuito do ultrassom dispositivo para arduino.

O princípio de operação desses sensores é exatamente o mesmo do sonar, usado pelo morcego para detectar objetos e presas em seu voo cego. O pequeno comprimento de onda das vibrações ultrassônicas faz com que elas se reflitam em pequenos objetos, podendo ser captadas por um sensor colocado em posição apropriada. O comprimento de onda usado e, portanto, as frequências são muito importantes nesse tipo de sensor, pois ele determina as dimensões mínimas do objeto que pode ser detectado. Levando-se em conta a velocidade do som, pode-se determinar com precisão a velocidade de aproximação ou afastamento do objeto pela medida da alteração de sua frequência.

Vantagens

Esses sensores se caracterizam por operar por um tipo de radiação não sujeita a interferência eletromagnética e totalmente limpa, o que pode ser muito importante para determinados tipos de aplicações. Podendo operar de modo eficiente detectando objetos em distâncias que variam entre milímetros até vários metros, eles podem ser empregados para detectar os mais variados tipos de objetos e substâncias.

Desvantagens

Como qualquer tipo de sensor, o posicionamento correto e a observação de eventuais fontes capazes de interferir no funcionamento são fundamentais para se obter o bom desempenho de um sistema.

Figura 41 - Reflexão em objeto superfície regular.

Figura 39 – Reflexão em objeto superfície regular.

Reflexões-Dependendo da natureza do material a ser detectado, o ultrassom pode tanto penetrar como passar por reflexões múltiplas, podem alterar as indicações por um efeito de interferência destrutiva.

Figura 42 -Reflexão em superficie irregular.

Figura 40 -Reflexão em superficie irregular.

Limite- É preciso definir a faixa de distância de detecção do sensor para que problemas de sinal não ocorram.

Direção-Em uma aplicação em que se utilizem elementos que irradiam sinais de qualquer tipo deve-se considerar a direção do sensor e do emissor.

Reverberação-Quando um pulso ultrassônico é aplicado a um objeto, ele consiste numa forma de energia que será em parte absorvida e em parte refletida por esse objeto. O que ocorre é que a energia absorvida pode levar o objeto a vibrar na mesma frequência por alguns instantes. O resultado é que o pulso refletido pode ter uma duração maior do que a do pulso transmitido por esse efeito de “prolongamento” ou reverberação.

5.5 Sensor de obstáculos com infravermelho

Figura 43 - Projeto de robô usando sensor de obstáculo infravermelho.

Figura 41 – Projeto de robô usando sensor de obstáculo infravermelho.

Características

Existem sensores de infravermelho ativos e passivos. Um sensor de infravermelho ativo é composto por um emissor de luz infravermelha e um receptor, que reage a essa luz. Por sua vez, um sensor de infravermelho passivo não emite luz infravermelha, mas apenas capta esse tipo de luz no ambiente.

Figura 44 - Sensor de obstáculo com infravermelho.

Figura 42 – Sensor de obstáculo com infravermelho.

Funcionamento

Neste tipo de aplicação, um feixe é projetado por LED emissor de luz infravermelha que, ao ser refletido por algum obstáculo, é detectado por um foto-transistor. Quanto mais próximo o obstáculo estiver do conjunto emissor-receptor, maior será a intensidade do sinal recebido.

Vantagens

Umas das grandes vantagens do uso do infravermelho estão na sua imunidade à interferências e possibilidade de ser transmitido e recebido com componentes comuns de baixo custo e fácil utilização.

Desvantagens

Figura 45 - Sensores de obstáculos com infravermelho.

Figura 43 – Sensores de obstáculos com infravermelho.

O problema com essa tecnologia é que pode ser facilmente interferida por outras fontes de luz ao redor, diminuindo sua precisão sendo bloqueado por obstáculos e refletindo-se em alguns materiais. Para que esse sistema funcione é preciso observar diversos fatores que podem influir no seu desempenho. À medida que se necessita de um alcance maior, a velocidade de transmissão de dados começa a ser comprometida.

6 Bibliografia
[1] História do motor elétrico – http://www.eti.kit.edu/english/1376.php
[2] http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1753-sensores-ultra-snicos
[3] http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-carrinho-seguidor-de-linha-que-desvia-de-obstaculos-com-
[4] http://eletricamentefalando.blogspot.com.br/2011/09/sensor-infravermelho.html
[5] http://www2.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/4—sensores-v2.0.pdf
[6] http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/110-mecatronica/robotica?Itemid=140
[7] Internet das Coisas – sensores. http://convergenciadigital.uol.com.br/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?infoid=38222
[8] Imagens obtidas da Wikimedia e Photopin com licenças da creative commons.

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