Aula 3 (1)

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Aula 3 – Sensores
A automação está diretamente ligada ao controle automático, ou seja, à execução de ações
que não dependem da intervenção humana. Um dos objetivos principais da automação é
obter a melhora da produtividade e da qualidade dos processos considerados repetitivos.
Os sistemas automatizados podem ser aplicados em um simples equipamento ou em toda
uma indústria, como, por exemplo, um processo de manufatura ou um processo
petroquímico. Simplificadamente, um processo sob controle possui um diagrama bem
parecido com o que vemos na figura 3.1, em que temos, em lados opostos, os sensores e
os atuadores.
Figura 3.1 Fluxograma simplificado de um sistema de controle
Os sensores são os elementos que fornecem informações sobre o processo,
correspondendo às entradas do sistema de controle. Eles podem indicar variáveis físicas,
como pressão e temperatura, ou simples estados, como uma chave de fim de curso
posicionada na porta de um microondas para impedir que seja ligado com a porta aberta.
No processo, definimos como atuadores os dispositivos responsáveis pela realização de
trabalho. Há vários tipos de atuadores. Entre eles, podemos citar os magnéticos, os
hidráulicos, os pneumáticos, os elétricos, ou aqueles com acionamento misto.
O sistema de controle é responsável pela comparação do valor da variável controlada e o
valor desejado. O resultado dessa comparação é usado para calcular a ação corretiva
necessária e emitir o sinal de correção para o atuador. O sistema de controle tem uma
tarefa especial, que é a medição das variáveis envolvidas no processo, etapa fundamental
para o bom desempenho desse sistema. Medir uma variável equivale a adquirir dados e
comparar as quantidades envolvidas na grandeza associada a essa variável com a
quantidade padrão, estabelecida previamente. Dá-se o nome de instrumentação às técnicas
e dispositivos empregados na medição, tratamento e transmissão das variáveis do processo
na área industrial. Os instrumentos utilizados para realizar essas medições, denominados
sensores, são classificados de várias formas, como grandeza física que medem, a forma de
transmissão de dados, tempo de resposta, etc. A resposta de saída dos sensores pode ser
da mesma espécie ou de outra diferente, reproduzindo certas características do sinal de
entrada, com base em uma relação definida.
3.1 Características técnicas dos sensores na robótica
As características técnicas dos sensores na robótica variam dependendo do tipo de sensor
e da aplicação específica. No entanto, algumas características comuns que são importantes
ao considerar sensores na robótica incluem:
1. Faixa de medição: Define os limites máximo e mínimo dentro dos quais o sensor pode
operar com precisão. Por exemplo, um sensor de distância a laser pode ter uma faixa
(range) de medição de 0 a 10 metros.
2. Resolução: Refere-se à menor mudança detectável na quantidade medida pelo sensor.
Por exemplo, a resolução de um sensor de temperatura pode ser de 0,1 graus Celsius.
3. Precisão: Indica a proximidade das medições do sensor em relação ao valor verdadeiro
da quantidade medida. Por exemplo, um sensor de posição pode ter uma precisão de +/- 1
milímetro.
4. Tempo de resposta: O tempo que o sensor leva para detectar uma mudança no ambiente
e fornecer uma leitura correspondente. Por exemplo, um sensor de proximidade
ultrassônico pode ter um tempo de resposta de alguns milissegundos.
5. Taxa de amostragem: O número de leituras que o sensor pode fazer por segundo. Por
exemplo, um sensor de imagem pode ter uma taxa de amostragem de 30 quadros por
segundo.
6. Consumo de energia: A quantidade de energia elétrica necessária para operar o sensor.
Isso é especialmente importante em robótica móvel, onde a eficiência energética é crucial
para a duração da bateria.
7. Interface de comunicação: O método pelo qual o sensor se comunica com o sistema de
controle do robô. Isso pode ser feito por meio de interfaces como analógica (por exemplo,
saída de tensão ou corrente), digital (por exemplo, UART, SPI, I2C), sem fio (por exemplo,
Bluetooth, Wi-Fi) ou outros protocolos específicos.
8. Tamanho e peso: Importante em aplicações onde o espaço e o peso são limitados, como
em robótica aérea ou móvel.
9. Ambiente de operação: Alguns sensores são projetados para operar em ambientes
específicos, como alta temperatura, baixa pressão, ambientes úmidos, entre outros.
Essas são apenas algumas das características técnicas importantes dos sensores na
robótica. A seleção do sensor adequado para uma aplicação específica depende das
necessidades de desempenho, custo e ambientais do sistema robótico.
3.2 Tipos de sensores
As plataformas de automação utilizam uma variedade de sensores para perceber e interagir
com o ambiente ao seu redor. Abaixo estão alguns dos tipos comuns de sensores
encontrados em sistemas de automação:
As plataformas de automação podem incluir uma variedade de sensores para realizar
tarefas específicas de monitoramento, controle e interação com o ambiente. Abaixo,
mostramos detalhadamente alguns dos tipos comuns de sensores usados em plataformas
de automação:
1. Sensores de proximidade:
- Ultrassônico: Emite pulsos ultrassônicos e mede o tempo que leva para os pulsos
retornarem após atingirem um objeto. Útil para detecção de obstáculos e medição de
distâncias em robótica móvel.
- Infravermelho (IR): Detecta a presença de objetos com base na emissão ou reflexão de
radiação infravermelha. Pode ser usado para detecção de objetos próximos, como
interruptores ou objetos em movimento.
- Laser: Fornece medidas precisas de distância utilizando um feixe de luz laser. É
comumente usado em aplicações de mapeamento e localização em robótica autônoma.
2. Sensores de visão:
- Câmeras: Capturam imagens do ambiente e permitem a identificação de objetos,
navegação, reconhecimento de padrões, entre outras aplicações.
- Câmeras térmicas: Detectam o calor emitido pelos objetos para visualização em
condições de baixa visibilidade ou para identificação de variações de temperatura em
processos industriais.
- Câmeras 3D: Permitem a captura de informações tridimensionais do ambiente, úteis
para reconstrução de cenários, inspeção de objetos e navegação em ambientes complexos.
3. Sensores de movimento:
- Acelerômetros: Medem a aceleração linear do robô em diferentes eixos. São comumente
usados para detecção de colisões, orientação e controle de movimento.
- Giroscópios: Medem a velocidade angular ou a orientação do robô em relação a um eixo
específico. Auxiliam na estabilização e na determinação da orientação do robô.
- Encoders: Monitoram a rotação dos motores ou das rodas, fornecendo feedback preciso
de posição e velocidade. São essenciais para o controle de movimento preciso em robótica
industrial e móvel.
4. Sensores de toque e força:
- Sensores de pressão: Detectam a aplicação de força em uma superfície. Podem ser
usados para detecção de contato, detecção de pressão em superfícies sensíveis ao toque,
entre outros.
- Força/torque: Medem as forças e torques aplicados em uma determinada área. São
usados em aplicações de manipulação de objetos, como robótica industrial e cirúrgica.
5. Sensores ambientais:
- Sensores de temperatura e umidade: Monitoram as condições ambientais, úteis para
controle de ambiente em sistemas de climatização, agricultura, entre outros.
- Sensores de gás: Detectam a presença e concentração de gases no ambiente,
importante para monitoramento de segurança em ambientes industriais e residenciais.
Esses são apenas alguns exemplos dos tipos de sensores comumente utilizados em
plataformas de automação. A escolha dos sensores adequados depende das necessidades
específicas da aplicação e das capacidades desejadas do sistema automatizado.
O exemplo abaixo mostra as características do sensor ultrassônico HC-SR04
Figura 3.2 sensor ultrassônico HC-SR04
Descrição sobre o sensor: O sensor ultrassônico HC-SR04 é um dos sensores de
proximidade mais comumente utilizados em projetos de eletrônica e robótica, especialmenteem robótica móvel. Ele é projetado para medir a distância entre o sensor e um objeto
utilizando ondas sonoras ultrassônicas (mesmo princípio utilizado por morcegos e
golfinhos).
O HC-SR04 consiste em dois principais componentes: um transmissor ultrassônico (letra T
na figura 3.2) e um receptor ultrassônico (letra R na figura 3.2). O transmissor emite pulsos
de ultrassom em uma frequência específica, que são refletidos pelo objeto alvo de volta
para o sensor. O receptor detecta esses pulsos refletidos e mede o tempo que leva para
eles retornarem. Com base no tempo de ida e volta e na velocidade do som no ar, o sensor
pode calcular a distância até o objeto, conforme pode ser visto na figura 3.3.
Figura 3.3 - princípio de funcionamento do sensor ultrassônico HC-SR04
Principais características do HC-SR04 de acordo com o manual do fabricante (datasheet):
Faixa de medição: Geralmente, possui uma faixa de medição de 2 cm a 4 metros, embora
essa faixa possa variar dependendo das condições ambientais e da qualidade do sensor.
Precisão: Oferece uma precisão razoável para aplicações de hobby e projetos simples, mas
pode ser afetado por fatores como temperatura e umidade.
https://d229kd5ey79jzj.cloudfront.net/620/HCSR04.pdf
Interface de comunicação: Geralmente, utiliza apenas dois pinos para comunicação com o
microcontrolador: um para enviar o sinal de pulso ultrassônico e outro para receber o sinal
de eco.
Fácil de usar: O HC-SR04 é fácil de integrar em projetos devido à sua interface simples e
ampla disponibilidade de bibliotecas e recursos online.
Baixo custo: É um sensor relativamente barato (cerca de R$10,00) e amplamente
disponível, o que o torna uma escolha popular para projetos de baixo custo.
Baixo consumo de energia: Consome uma corrente de operação: 15 mA a 5V DC,
importante para aplicações móveis ou alimentadas por bateria.
Outras características importantes:
Ângulo de medição efetivo: 15 graus;
Temperatura de trabalho: -20°C até + 60°C;
Precisão: 3mm/cm
Peso: 10g;
Tempo de resposta: 60ms (milisegundos)
Este material contem partes retiradas de:
Microcontroladores / Édilus de Carvalho Castro Penido. Ronaldo Silva Trindade. – Ouro
Preto : Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Minas Gerais ; Santa Maria :
Universidade Federal de Santa Maria, Colégio Técnico Industrial de Santa Maria ; Rede
e-Tec Brasil, 2013. 80 p. : il. ; 28 cm ISBN 978-85-86473-12-8
Ultrasonic Ranging Module HC - SR04 disponível em :
https://d229kd5ey79jzj.cloudfront.net/620/HCSR04.pdf
PROJETO SENSOR ULTRASSÔNICO HC-SR04 ARDUINO disponível em:
https://www.usinainfo.com.br/blog/projeto-sensor-ultrassonico-hc-sr04-com-arduino/
Mecânica: automação / Maria Leonor Reis Vianna (autora); Edvaldo Angelo, Gabriel Angelo
(coautores); Evaldo Silva, Mauro Gomes da Silva (revisores); Meire Satiko Fukusawa
Yokota (coordenadora). -- São Paulo: Fundação Padre Anchieta, 2011 (Coleção Técnica
Interativa. Série Mecânica, v. 4)