Com os avanços tecnológicos na implementação de sistemas auto-sustentáveis e inteligentes, as indústrias automobilísticas procuram inserir uma tecnologia de ponta para que seu produto seja mais atrativo, quanto comparado ao do concorrente. Sendo assim, é proposto um sistema de direção veicular automática, ou seja, sempre que houver um obstáculo a sua frente, o veículo procurará o melhor caminho a seguir. É sugerido tal dispositivo, pois sua adição a um carro não requer tanto trabalho e seu efeito é significativo. Construiu-se um protótipo para analisar todos os conceitos que se esperam de um automóvel com tal dispositivo. Com a implantação de tal sistema, visa-se a diminuição de erros sendo assim, tornando as rodovias mais seguras.
Não é de hoje que o homem tenta facilitar tarefas do cotidiano. Tarefas simples como deslocar-se de um ponto qualquer a outro poderia demorar dias, semanas e ate meses. Mas felizmente, no final do século XIX, mas especificamente em 1886, o engenheiro alemão Karl Benz constrói o primeiro veículo automotor que podia na chegar aos seus 16 quilômetros por hora [1]. Com 0,8 cavalo de potência o Benz Patent-Motorwagen (nome dado ao primeiro veículo) perdia em muitos quesitos quando comparado com os veículos de tração animal. De 1886 até os dias atuais, a evolução do automóvel ocorreu quase que espontaneamente, veículos começaram a ser fabricados em serie e depois em linhas de produção, ganharam uma infinidade de acessórios como
bancos para passageiros, portas, para-brisa, teto, rádio, cinto de segurança, motores mais potentes e com menor consumo de combustível, ignição automática, câmbio automático, design cada vez mais arrojado e tantos outros [2].
Entretanto, a evolução tecnológica automobilística continua, fala-se muito sobre segurança no volante devido a quantidade de acidentes envolvendo veículos, onde apenas políticas de prevenção de acidentes como “Lei Seca” não são suficientes para diminuir o número destes imprevistos, visto que 90% dos acidentes de trânsito são causados por falha humana [3-5].
Há muita pesquisa sobre o assunto, recentemente a empresa Google anunciou um veículo com inteligência artificial que andou sem motorista nas principais ruas da Califórnia [6]. Fato executado também pela Japonesa Nissan, que promete até 2020, estar produzindo em massa veículos autônomos [7].
Com o intuito de simular, aprender, pesquisar e apresentar, foi desenvolvido um protótipo de veículo com inteligência artificial, onde o mesmo desvia de obstáculos automaticamente.
I. Desenvolvimento
Para controlar a direção do veículo autônomo, foi proposto um circuito eletrônico que faz varreduras no ambiente externo, processa a informação obtida e executa a melhor opção para o momento. Para melhor entendimento do funcionamento do circuito, é necessário dividi-lo em três partes: detecção do objeto, processamento dos dados e acionamento dos motores.
A primeira tarefa a ser executada é a verificação de obstáculos. O método utilizado para extrair as informações do ambiente em que se encontra o veículo foi a emissão e recepção de ondas sonoras por meio de um sensor ultra-sônico. De acordo com as propriedades do som, para que ele se propague é necessário que exista um meio, nesse caso o ar. Logo, se o som se desloca pelo ar, ele possui velocidade, sendo que seu valor médio é de 340m/s a 20°C.
O circuito responsável por essa tarefa foi o módulo ultra-sônico HC-SR04 (figura 1).
Figura 1. Sensor ultra-sônico HC-SR04. [8]
Nele existem dois discos piezelétricos. Um é responsável por emitir ondas de alta frequência e o outro por recebê-las. Eles emitem pulsos ultra-sônicos ciclicamente.
Quando um objeto reflete estes pulsos, o eco resultante é recebido e convertido em um sinal elétrico. Para que o módulo HC-SR04 emita uma onda ultra-sônica é necessário que o pino TRIG fique com nível lógico alto durante 10us (veja a figura 2), pois logo após ele voltar para nível lógico baixo, é acionado o circuito interno do sensor que emite oito pulsos de 40kHz através do transdutor piezelétrico. Em seguida o pino ECHO que estava em nível lógico baixo, altera para nível lógico alto, sendo que o tempo de duração do seu estado é correspondente à distância que o sensor está do objeto.
Figura 2. Funcionamento do módulo HC-SR04 [9].
Agora, para operar esse módulo é preciso um circuito que envie um sinal TTL de 10us para o pino TRIG e receba um sinal analógico do pino ECHO. O circuito responsável por tais comandos é circuito do microcontrolador.
O circuito do microcontrolador é a placa que de fato torna esse sistema inteligente. Um microcontrolador é um componente eletrônico que trabalha com o processamento de sinais. Como o próprio nome sugere, ele literalmente controla todos os dados de entrada e saída de seus pinos. Ele funciona de forma programada, ou seja, um programa é gravado e executado em sua memória constantemente. Por isso que ele é adequado para se aplicar junto ao módulo HC-SR04, porque o controle dos pinos TRIG e ECHO é facilmente feito por um programa em sua memória.
Por se tratar de praticidade e agilidade foi utilizado o Arduino UNO como microcontrolador. Logo é ele que emite o pulso no pino TRIG do sensor ultra-sônico e recebe o pulso vindo do pino ECHO, sendo que esse pulso pode variar de 150us a 25ms. Esses valores de tempo são convertidos em distância pelo programa gravado em sua memória. E conforme a leitura do sensor, ele aciona um motor elétrico conectado a sua porta de saída. As características básicas do Arduino UNO são descritas abaixo na Tabela I:
Tabela I
DADOS TÉCNICOS DO ARDUINO UNO
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Características |
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Microcontroador |
ATmega 328 |
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Tensão de operação |
5V |
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Tensão de entrada |
7-12V |
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Pinos (I/O) digitais |
14(onde 6 podem ser de PWM) |
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Pinos de entrada analógica |
6 |
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Corrente DC por pino |
40mA |
Através destes dados que foram utilizados os pinos mais apropriados para esse tipo de aplicação. A figura 3 mostra as conexões entre o sensor ultra-sônico, o arduino e a placa controladora dos motores.
Figura 3. Ligações entre o sensor, o controlador e a placa dos motores [8].
Depois que todo o sinal foi tratado pela placa do arduino, ele precisa acionar os motores do carro. Porém a corrente DC por pino do arduino suporta no máximo 40mA e o motores necessitam de, em média, 630mA. Se colocar um pino de saída do microcontrolador direto nos terminais do motor, o mesmo irá danificar. Logo, para que não ocorra tal efeito, é inserida no sistema uma placa de potência que recebe um sinal de entrada, amplifica-o e opera um relé em sua saída.
Assim podem-se controlar dispositivos que consome grandes correntes com uma corrente muito menor, sem danificar o controlador. O circuito integrado (CI) responsável por fazer a amplificação do sinal é o CI ULN 2803, que nada mais é do que um conjunto de oito transistores internos encapsulados em forma de CI. Assim a placa acionadora dos motores é acoplada entre os pinos de entrada do ULN 2803 com os pinos do arduino e os pinos de saída desse CI com os relés ligados aos motores, conforme a figura 3.
Porém como esse sistema todo foi incorporado a um veículo em miniatura (protótipo) e ele funciona com uma bateria de chumbo-ácido, para que se possa recarregá-la, foi feito mais um circuito que ao colocar a bateria para recarregar, quando ela atingir sua carga máxima, a corrente elétrica diminui de tal maneira que não ocorra sobrecarga.
O circuito de carga da bateria é baseado em um amplificador operacional (AO). Um amplificado operacional é um CI que pode se comportar de duas formas básicas: como amplificador ou comparador de sinal. Como amplificador, o AO amplifica o sinal de entrada de forma controlada, de acordo com o ganho de cada CI específico. Mas no circuito proposto, o AO foi configurado como comparador de sinal. Como comparador, o CI lê a diferença de tensão entre a entrada inversora e a não inversora, e amplifica-a para a saída. De acordo com a figura 4, o amplificador operacional utilizado foi o LM301A, também pode ser utilizado um LM741 para o projeto. O AO possui uma tensão de referencia no pino 3 (porta não inversora) e uma tensão correspondente a carga da bateria conectada ao pino 2(porta inversora). Quando a bateria está carregada, a diferença de tensão entre os pinos 2 e 3 é zero, e o sinal é enviado à saída do AO (pino 1) aterrando a base do transistor Q1 e mudando a corrente fornecida pelo LM317K. Um LED foi inserido para indicação visual de que a bateria está carregada.
Figura 4. Circuito carregador da bateria de chumbo-ácido [10].
Após feito todos os circuitos e inseri-los no protótipo, o projeto do controle inteligente de direção veicular pode ser visto na figura 5.
Figura 5. Protótipo sendo carregado.
A seleção do percurso é de acordo com a situação (figura 6), porém o veículo está programado para sempre olhar para direita quando avistado um objeto, e se nesta direção o caminho estiver livre ele vira para direita e segue em frente, caso o contrario, ele analisa o lado esquerdo e faz o procedimento análogo a virar para direita.
Figura 6. Identificação do objeto.
Depois de escolhido o melhor lado a seguir, o veículo descarta a situação que se encontrava antes de tomar a decisão como mostra a figura 7.
Figura 7. Situação após a escolha do caminho.
Conclusões
Portanto, apesar do protótipo fazer desvios de objetos, como foi programado, sua precisão e sua estabilidade mecânica bem como seu sistema de armazenamento de energia (bateria) apresentaram pequenos desvios do previsto. Isso se deve ao fato de que o ângulo de varredura do sensor ultra-sônico ser de apenas 30º. Contribuiu também para estes imprevistos, a desigual tração nas correias somada ao desalinhamento entre eixos e o alto consumo de corrente dos motores, que reduz a duração da bateria. Devido a tais eventualidades, para que o objetivo principal seja alcançado é necessário que os problemas encontrados sejam superados.
Agradecimentos
Agradecemos a todos os professores que nos ajudaram durante o projeto, em especial ao Prof. Paulo Denis Garcez da Luz e o Prof. Dr. Gilson Junior Schiavon, responsáveis pela orientação perante dúvidas que adquirimos durante a elaboração do projeto.
Aos amigos e colegas, pelo incentivo e pelo apoio constantes.
Referências Bibliográficas
[1] Mundoestranho, qual foi o primeiro carro a combustão?, 2013. Disponível em: .
[2] Ford, a evolução da produção em série, 2013.Disponível em: .
[3] Mobilize , quadro comparativo das mortes por acidentes de trânsito, 2013. Disponível em: .
[4] Portal Brasil, nova resolução deixa lei seca mais rígida, 2013.Disponível em: .
[5] Revista Pense carros, recomendações buscam prevenir situações perigosas no trânsito, 2013. Disponível em:
[6] Exame, google desenvolve carros com inteligência artificial, 2013.disponivel em: .
[7] Rede Inteligente, Nissan licencia primeiro carro autónomo no japão, 2013.Disponível em: .
[8] Think Different Develop, Arduino sensor ultra sônico 2013. Disponível em: .
[9] Dq Soft, sensor ultrassônico hc-sr04 - parte 1. 2013. Disponível em: .
[10] Toni Eletronica, circuito carregador de baterias do tipo gel selada de 12 volts com lm117k / lm117t usadas em no-break e alarmes 2013.Disponível em: .