Sensores e Atuadores Aplicados em Protótipo

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ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO – UNIFEV 
SENSORES E ATUADORES APLICADOS EM PROTÓTIPO 
 
 
 
 
Prof. Ms. Raynner Antonio Toschi Silva 
Carlos Eduardo Baldoino 
Lucas Martins Sabadini 
 
 
 
RESUMO 
 
O presente trabalho apresenta síntese detalhada dos sensores e atuadores utilizados na 
implementação de protótipo, sendo este todo construído em Lego, proveniente do modelo 
Mindstorm EV3. Seu objetivo consiste basicamente em completar um circuito, composto por 
uma linha de cor preta, dessa forma o protótipo deve segui-lá sem que haja qualquer desvio 
na trajetória, além de ser capaz de interromper seu deslocamento quando algo estiver em sua 
frente. Para tanto será necessário a utilização de atuador servo motor em cada extremidade 
do protótipo, para movimentá-lo de acordo com o sensor de cor, responsável por abstrair as 
tonalidades do meio externo, e sensor ultrassônico capaz de detectar através de ondas 
sonoras a presença de algo em sua frente. 
 
 
Palavras-chave: Sensores. Atuadores. Lego. Mindstorm. Protótipo. 
 
 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
 
O nível de desenvolvimento industrial de uma sociedade pode ser avaliada, 
segundo Adamowski (2016), pela aplicação destinada aos sensores e atuadores, 
sendo estes instrumentos de medição, detecção, registro e controle, das mais 
diversas variáveis presentes nos processos fabris em todo o globo. 
A demanda por esses dispositivos é crescente ao passo do consumismo, 
permitindo o aumento da produtividade, controle da qualidade e monitoria adequada, 
assim ao longo do tempo vêm se sofisticando em grande velocidade para acompanhar 
as novas necessidades surgidas a cada dia na indústria. São basicamente 
incorporados por circuitos eletrônicos integrados, possuindo uma imensa gama de 
variações de conectividade, podendo assumir diversas aplicações. 
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No âmbito acadêmico, com grande foco nos cursos de tecnologia, sua presença 
é unânime, não somente nos projetos de conclusão de curso, mas em toda disciplina 
que envolva fomento de solução específica. 
Dessa forma o presente projeto utilizará sensores e aturares, objetivando 
construir um protótipo, a partir de peças de Lego Mindstorm EV3, capaz de seguir uma 
linha de cor preta e interromper sua trajetória quando detectar qualquer objeto em sua 
frente. 
 
 
2 SENSOR DE COR 
 
 
No protótipo será utilizado o modelo EV3 Sensor Color Digital, sendo um sensor 
digital de cor presente no conjunto Lego Mindstorm EV3, sua função única e primária 
no projeto, será a identificação da cor presente no meio externo, mediante prévia 
programação de variáveis, como a sensibilidade de medição. 
É apresentado na Figura 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 – Sensor de Cor Lego Mindstorm EV3 
Fonte: mindstorms.lego.com 
 
 
 
 
O respectivo modelo é capaz de detectar a cor ou a intensidade da luz que 
entra pela sua frente, consegue distinguir as seguintes cores: preto, branco, azul, 
verde, amarelo, vermelho e marrom. 
Possui 03 (três) modos de operação: Modo de Cores, Intensidade da Luz 
Refletida e Intensidade da Luz Ambiente. 
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No Modo de Cores, o sensor consegue reconhecer 07 (sete) cores: preto, azul, 
verde, amarelo, vermelho, branco e marrom, além de perceber quando não há 
presença de cor. 
Para tanto, seu funcionamento, ao contrário do sensor de luminosidade, não 
percebe apenas a quantidade total de luz refletida, é capaz de ler as três cores básicas 
RGB (Red, Green e Blue), conforme a quantidade de luz refletida em cada cor, que 
quando analisadas é identificado a possível cor conhecida do meio externo, relata 
Machado (2015). 
 Dessa forma o sensor emite ondas de luz conhecidas contra o objeto em sua 
frente, a quantidade de fótons refletidos de volta é diferente para cada cor existente. 
Assim o sensor tem condições de analisar as ondas refletidas e através dos seus 
mecanismos compará-las com os dados existentes, determinando exatamente qual a 
cor presente no meio. 
Entretanto, algumas caraterísticas do meio, principalmente a textura do material 
a ser analisado pelo sensor, interfere diretamente na sua aferição, podendo confundir 
o sensor devido alterações na reflexão da luz, resultando na detecção equivocada da 
cor. A distância do sensor entre o material em análise é outro fator que interfere na 
sua capacidade de leitura, sendo cada vez menor conforme o aumento da distância. 
Essa característica de diferenciação das cores pode ter aplicabilidade em 
projetos que necessitem de identificação de cores dos objetos, como por exemplo 
bolas e blocos, ou qualquer outro material. Pode ser programado para dizer o nome 
da cor detectada ou interromper uma ação. 
Já no Modo Intensidade da Luz Refletida, o sensor mede somente a 
intensidade da luz que é refletida a partir de um diodo emissor de cor vermelha, pois 
essa cor apresenta boa reflexão, devido o comprimento da sua onda. É utilizada uma 
escala, na faixa de 0 (muito escuro) até 100 (muita luz). Poder ser aplicado em projetos 
que necessitem, por exemplo, se mover por um plano de cor branca até que detecte 
uma linha preta. 
No Modo de Intensidade da Luz Ambiente, o sensor mede a “força da luz”, ou 
seja, a intensidade de luz penetrante no ambiente por algum agente externo, como 
por exemplo a luz do sol que entra pela janela, ou o feixe de luz de uma lanterna. O 
sensor utiliza a mesma escala do Modo Intensidade da Luz Refletida, que compreende 
a faixa de valores entre 0 (muito escuro) até 100 (muita luz). Assim pode-se aplicar 
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esse modo de operação em projeto que dispare um aviso sonoro quando o sensor 
indicar presença de luz ou interromper uma ação se as luzes se apagarem. 
O sensor possui uma boa taxa de amostragem, sendo capaz de realizar 1.000 
(mil) capturas por segundo (1 KHz/seg). Para alcançar boas performances de leitura, 
a fabricante Lego determina posicionar o sensor em um ângulo correto, próximo o 
suficiente da superfície do objeto, sem deixar que o toque, visando máxima precisão 
nos Modos Cores e Intensidade da Luz Refletida. 
Os sensores de cor, de modo geral, são compostos por transdutores 
fotossensíveis, que nada mais são do que dispositivos eletrônicos capazes de 
converter energia luminosa em elétrica, para que possa ser lida e tratada por outros 
dispositivos. 
 
 
3 SENSOR ULTRASSÔNICO 
 
 
 O sensor ultrassônico será responsável por identificar quando algo se opuser 
em sua frente, fornecendo condições do sistema interpretar sua medição e 
interromper imediatamente a trajetória do protótipo. 
O modelo utilizado será o disposto no conjunto Lego Mindstorm EV3, conforme 
demostra a Figura 2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2 – Sensor Ultrassônico Lego Mindstorm EV3 
Fonte: mindstorms.lego.com 
 
 
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Esse tipo de sensor digital é capaz de medir a distância de um objeto à sua 
frente enviando ondas sonoras de alta frequência (altas demais para ser captadas 
pela audição humana), depois mede quanto tempo demora para o som refletir e voltar 
ao sensor. 
Também é encontrado na natureza, pois seu funcionamento é muito 
semelhante aos dos morcegos, uma vez que ambos emitem pequenos comprimentos 
de ondas em determinada frequência, e quando encontram algum obstáculo sólido 
pela frente são refletidas de volta. 
Dessa forma, o sensor conta com um emissor, responsável por emitir o som, e 
o receptor, que realiza a captura do som refletido. São afixados no mesmo conjunto, 
visto que são dependentes para prever algo em sua direção. 
A distância de um objeto pode ser medida em polegadas, neste caso podendo 
ser detectável na faixa de 1 a 99; ou em centímetros, permitindo detecção na faixa de 
3 a 250. Com valores superiores a essas faixas, o sensor fica inoperante, ou seja, não 
é mais capaz de detectar algo em sua frente. 
Esse modelo de sensorpode trabalhar em dois modos, Medição e Presença. 
Quando está em Modo de Medição, emite uma luz estável em torno dos “olhos” do 
sensor. Já quando começa a piscar, indica que iniciou o Modo de Presença. 
Nos sensores mais comuns encontrados no mercado, o emissor pode ser do 
tipo magnetostritivo, consistindo de um pequeno diafragma de metal, que vibra 
conforme campo magnético; ou do tipo piezoelétrico, que vibra por deformação assim 
que uma tensão é aplicada, explica Braga (2012). 
O receptor pode determinar com precisão a velocidade de aproximação ou 
recuo do objeto, através de cálculo da velocidade do som, detectando a mudança de 
frequência da onda sonora, que varia quando refletida em um objeto a certa distância. 
O sensor ultrassônico possui diversas aplicabilidades dentro dos projetos 
robóticos, como por exemplo, pode desviar da mobília ou qualquer outro objeto, 
rastrear um alvo em movimento e detectar um intruso no recinto. 
 
 
 
 
 
 
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4 SERVO MOTOR 
 
 
A fim de prover movimentação ao protótipo será utilizado dois exemplares do 
motor grande (servo motor) encontrado no conjunto Lego Mindstorm EV3, cada qual 
disposto nas extremidades. A Figura 3 ilustra o motor grande. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 –Motor Grande Lego Mindstorm EV3 
Fonte: mindstorms.lego.com 
 
 
 
Esse modelo de motor é descrito como grande pois é destinado como base 
motriz dos projetos. Detém certa potência considerável, resultando numa faixa de 160 
a 170rpm. 
Seu torque de funcionamento é de 20Ncm, e possui ainda um torque neutro de 
40Ncm, ou seja, quanto menor a rotação maior a força. Dispõem também de um 
sensor de rotação embutido, com resolução de 1 grau, para um controle preciso. 
O servo motor é um dispositivo eletromecânico, pois transforma a energia 
elétrica em mecânica através de indução. Seu interior é composto por um circuito de 
controle e um pequeno motor com redução, que em muitos casos é preso à uma 
alavanca. 
Quando uma tensão é aplicada neste dispositivo, pode-se movimentar a 
alavanca (braço) em uma posição desejada, desse modo se variar uma tensão, de 
por exemplo 0 a 6V, obtém-se ângulos entre 0 a 90 graus, mas se mantiver a tensão 
continua o motor permanecerá rotacionando. 
 
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5 MONTAGEM DO PROTÓTIPO 
 
 
 
 O protótipo será todo confeccionado por peças, sensores e atuadores 
provindas do conjunto Lego Mindstorm EV3, tendo a finalidade de percorrer um 
circuito pré-estabelecido, guiando-se por uma linha de cor preta afixada no chão. O 
mesmo deve permanecer imóvel quando algo apresentar-se em sua frente, e retomar 
o percurso quando caminho estiver sem obstáculos. 
Para que isso ocorra é necessário a inserção de sensor de cor, que identificará 
a cor preta no meio externo, enviado sua análise para tratamento via central de 
processamento. Este sensor ficará disposto no centro do protótipo bem próximo ao 
chão, para que possa efetuar a precisa leitura da cor. 
Posteriormente o sensor ultrassônico será inserido, acomodado logo acima do 
sensor de cor ao centro do protótipo, responsável por detectar a aproximação de 
objetos em sua linha frontal, emitindo a captura para tomada de decisão. 
Por fim os dois servo motores serão presos no chassi, cada qual nas 
extremidades, atuando conforme dados tratados segundo as condições de 
programação, provindos dos sensores instalados. 
 
 
6 LÓGICA DO PROJETO 
 
 
 
 A lógica consiste em movimentar o protótipo através do acionamento 
independente dos servo motores, só e somente se, for detectado a cor preta pelo 
sensor de cor. Caso o sensor ultrassônico identificar algo em sua frente, é cessado o 
sensor de cor e os servo motores. 
Ser sensor ultrassônico retornar falso, e a detecção de cor for verdadeira, 
continua-se a locomoção. Se for necessário virar para a esquerda, o servo motor da 
esquerda se desliga e somente o servo motor da direita mantém-se ligado, o processo 
se inverte quando necessário virar para a direita. 
 
 
 
 
 
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7 CONSIDERAÇÕES FINAIS 
 
 
 O trabalho desenvolvido atendeu as especificações do orientador, atingiu seu 
propósito inicial de seguir uma linha de cor preta e parar diante de obstáculos. Para 
tanto foi fomentado muitas ideias de confecção de chassi, buscando a melhor 
disposição das peças, dos encaixes aos sensores e atuadores. 
Na programação teve-se um pouco de dificuldade no início, devido falta de 
experiência com o software proprietário do conjunto Lego Mindstorm EV3, que é 
voltado para público específico de menor faixa etária, refletindo na sua simplicidade 
de blocos previamente programados, apenas oferecendo possibilidade de pequenos 
ajustes de variáveis. Porém com algumas tentativas foi possível compreender sua 
lógica de montagem, tornado a experiência de programação fluida e agradável. 
Por fim foram realizados inúmeros testes no circuito de provas, visando calibrar 
a velocidade de rotação dos servo motores e ajustar a sensibilidade dos sensores. 
 Dessa forma conclui-se com o presente trabalho que a presença dos sensores 
e atuares são de extrema valia para qualquer implemento de solução tecnológica, 
sendo estes meios de abstração do mundo físico para o virtual, tornando possível a 
identificação de intemperes e proporcionando seu devido tratamento para 
determinado fim. 
 
 
8 REFERÊNCIAS 
 
ADAMOWSKI, Julio Cezar. Sensores - Teoria e Aplicações. Departamento de 
Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos - Escola Politécnica da USP - 
São Paulo/SP. 
 
 
BRAGA, Newton C. Como funcionam os sensores ultrassônicos. Disponível em: 
<http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/5273-art691>. Acesso 
em: 24 mar. 2016. 
 
 
MACHADO, Adriano. Sensores de Luminosidade e Cor. Disponível em: 
<http://aprendarobotica.com.br/arquivos/612>. Acesso em: 24 mar. 2016.