Robô seguidor de linha

Neste tutorial vamos aprender a fazer um robô seguidor de linha utilizando o sensor de obstaculo infravermelho (Você poderá usar o Módulo Segue Faixa – TCRT5000) em conjunto com um Arduino.

Para melhor entendimento deste tutorial é necessário que você já tenha um conhecimento prévio sobre Arduino e ponte H. Mas não se preocupe pois nossa equipe já produziu outros tutoriais sobre esse assuntos e você pode conferir alguns destes nos seguintes links: Entradas e Saídas Analógicas e Módulo Ponte H L298n .

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A importância do robô seguidor de linha

O robô seguidor de linha, também conhecido como seguidor de faixa, é um projeto bem famoso entre os apaixonados por robótica. Quase sempre é o primeiro projeto de robótica móvel.

Em todo o mundo, competições de robótica possuem modalidades únicas  para o seguidor de linha, o que faz deste projeto algo que nunca irá deixar de ser melhorado.

Seu projeto envolve conceitos de dimensionamento de energia, controle de motores, programação de embarcados, entre outros.

Esses mesmos conceitos são levados para projetos maiores e mais complexos, tanto acadêmicos quanto industriais.

Robôs seguidores de linha na industria

As aplicações industriais são bem diversificadas. Os robôs que gerenciam o estoque da grande rede de varejos Alibaba, começaram a funcionar com os princípios do seguidor de linha.

Eles manejavam as prateleiras de produtos dentro do estoque por meio de orientação de faixas no chão. Sua função era transportar os materiais de um lado para outro, seja para reajustar o estoque ou para levar para uma área de exportação.

Atualmente o Alibaba evoluiu os robôs, de forma que eles se comunicam, e se localizam, por meio de IA (Inteligência Artificial).

 

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Como um robô seguidor de linha funciona ?

O funcionamento do robô seguidor de linha é simples. Ele deve seguir andando por cima de uma linha de cor preta (fita isolante) ou branca.

Os circuitos podem alternar entre as cores do campo e da faixa, no nosso caso iremos assumir que a pista é branca e a faixa é preta.

Usaremos 2 sensores infravermelho que detectam a presença ou não desta faixa. De acordo com a combinação dos sensores, o carrinho irá para frente ou virar para um dos lados.

Funcionamento do sensor infravermelho

O módulo sensor de obstáculo infravermelho IR é bem simples. Ele emite uma luz infravermelha por um LED negro e capta o reflexo com um LED receptor (LED claro).

Como sabemos, a luz reflete em superfícies claras e é absorvida em superfícies negras, como a fita isolante. Sendo assim o LED receptor irá detectar a luz infravermelha no branco e não detectar no preto.

Para uma melhor eficácia do sensor, a superfície em contraste com a faixa preta deve ser branca. Para ajustar a sensibilidade ao contraste, o modulo possui um potenciômetro de calibração.

Diferença entre sensores infravermelho obstaculo e o TCRT5000

Você pode usar diferentes sensores infravermelhos para o projeto seguidor de linha, o que você precisa levar em conta é as especificações de cada um.

Um sensor infravermelho amplamente utilizado é o TCRT5000, que tem como vantagem seu tamanho e preço. Porem, ele precisa está próximo ao chão para que seja capaz de identificar a faixa, uma vez que seu alcance é de até 8mm. Entretanto, ele possui a vantagem de sofrer menos interferências de luzes infravermelhas externas.

Em contrapartida, a vantagem de usar o sensor de obstaculo é o seu maior alcance possuir ajuste, porem ele é mais suscetível a interferências das luzes ambientes.

Nesse tutorial, usaremos o sensor de obstaculo infravermelho. Dessa forma, caso esteja usando o TCRT5000, fique atento com a distância do chão. Ele precisa ficar com uma distância entre 1mm e 8mm para ser capaz de detectar a faixa.

Controlando motores com Ponte H

Quando lidamos com controle de cargas que consomem grande quantidade de energia, é importante que essas cargas sejam controladas com circuitos que separem o circuito de controle do circuito de potência.

Para controlar motores, é comum usarmos um circuito chamado ponte H, ele é capaz por controlar o sentido de giro do motor e a sua velocidade, usando o PWM.

PWM

PWM (Pulse Width Modulation – Modulação por Largura de Pulso) é uma técnica para obter resultados analógicos por meios digitais (Leia mais sobre Grandezas digitais e analógicas e PWM).

Essa técnica consiste na geração de uma onda quadrada em uma frequência muito alta em que pode ser controlada a porcentagem do tempo em que a onda permanece em nível lógico alto, alterando, assim, a tensão média.

Por exemplo, se a saída é de 5V, porem ela fica apenas 50% do tempo em 5V e outros 50% do tempo em nível lógico baixo, isso resulta em uma tensão média de 2,5V (50% x 5V).

Dessa forma, esta variável de tempo é capaz de controlar de velocidade do nosso carrinho alterando a tensão média aplicada no motor.

Os valores de PWM variam de 0 (parado) até 255 (velocidade máxima ou 5 V).

Controlando a velocidade do motor através da Ponte H

Existem varias opções de Ponte H, nesse tutorial usaremos o módulo Ponte H com CI L298N que dispões de duas pontes H, sendo capaz assim de controlar dois motores.

Cada ponte H possui um pino que ativa ou não a ponte H. Caso tenha um sinal de 5V aplicado nele, a ponte estará ligada, caso seja 0V a ponte estará desligada. Como temos 2 pontes H, temos o Enable A(Ativa A) e o Enable B (Ativa B).

Normalmente os Enables A e B ficam em curto com um sinal de 5V da placa através de um jumper.

Se retiramos esse jumper e inserimos um sinal PWM nessas entradas, modularemos a tensão que é enviada para o motor. Isso ocorre porque a ponte H só ira “funcionar” enquanto o sinal de Enable estiver com 5V, assim teremos o mesmo efeito de tensão média explicado anteriormente.

Apesar de a ponte H ser controlada por um sinal de 5V, elá pode chavear uma tensão diferente. Podemos, por exemplo, controlar uma tensão de 6V, vindo de um conjunto de 4 pilhas AA. Nesse caso, apesar de o sinal PWM ser de 5V ele modulará os 6V nos motores.

A descrição completa sobre como funciona uma ponte H L298N e como controlar a velocidade de um motor usando uma ponte H L298N pode ser visto nos nossos tutoriais sobre os respectivos assuntos.

 

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Montado um robô seguidor de linha com sensor infravermelho

A partir de agora iremos mostrar como montar o seu próprio robô seguidor de linha.

Componentes Necessários

Para este projeto iremos utilizar:

• 1 x Arduino UNO
• 2 x Sensores de obstaculo infravermelho (ou módulo TCRT5000)
• 1 x Chassi Robô móvel 2WD ( Ou 2 x Motores DC 5 v com roda + um suporte para o carrinho)
• 1 x Ponte H L298N
• 1 x Bateria 9 V + conector (ou fonte semelhante)
• Protoboard e Jumpers

 

Montando o projeto do robô seguidor de linha

Abaixo segue um esquema de ligações e montagem ELETRÔNICA do projeto:

Este projeto possui um procedimento de montagem complexo devido ao fato da necessidade de termos que passar vários fios por um espaço limitado ao tamanho do chassi do seu carrinho.

Calibração do Sensor infravermelho

Ao usar o sensor infravermelho, seja o sensor de obstaculo ou o TCRT5000, você precisa calibrar o sensor para que seja capaz de detectar adequadamente a mudança de cor entre preto e branco.

No vídeo a segui eu mostramos como fazer essa calibração.

Programando o controle do Robô seguidor de linha

A programação do projeto é bem simples. O carrinho precisa fazer a leitura dos sensores e definir pra qual  lado ele deve ir, somente isso, até por que um programa muito extenso pode prejudicar o rendimento.

/*DECLARAÇÃO DE VARIAVEIS*/
#define MotorA_sentido1 2
#define MotorA_sentido2 4
#define MotorB_sentido1 8
#define MotorB_sentido2 9
#define MotorA_PWM 3  
#define MotorB_PWM 10  

#define veloc0 0
#define veloc1 80
#define veloc2 180
#define veloc3 255

#define Sensor_direita 6
#define Sensor_esquerda 7

bool direita, esquerda;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(MotorA_sentido1, OUTPUT);
  pinMode(MotorA_sentido2, OUTPUT);
  pinMode(MotorB_sentido1, OUTPUT);
  pinMode(MotorB_sentido2, OUTPUT);
  pinMode(MotorA_PWM, OUTPUT);
  pinMode(MotorB_PWM, OUTPUT);
  pinMode(Sensor_direita, INPUT);
  pinMode(Sensor_esquerda, INPUT);
  
}

void loop() {
   //Define o sentido de rotação dos motores
  digitalWrite(MotorA_sentido1, LOW);
  digitalWrite(MotorA_sentido2, HIGH);
  digitalWrite(MotorB_sentido1, HIGH);
  digitalWrite(MotorB_sentido2, LOW);
  
  //Leituras dos Sensores
  direita = digitalRead(Sensor_direita);
  esquerda = digitalRead(Sensor_esquerda);
  Serial.print(direita);
  Serial.print(" || ");
  Serial.println(esquerda);

  //Rodando os motores dependendo das leituras
 if(direita == false && esquerda == false){
 analogWrite(MotorA_PWM, veloc2);
 analogWrite(MotorB_PWM, veloc2);
 } else if(direita == false && esquerda == true){
 delay(400);
 analogWrite(MotorA_PWM, veloc2);
 analogWrite(MotorB_PWM, veloc1);
 delay(400);
 }else if(direita == true && esquerda == false){
 delay(400);
 analogWrite(MotorA_PWM, veloc1);
 analogWrite(MotorB_PWM, veloc2);
 delay(400);
 
 }else if(direita == true && esquerda == true){
 analogWrite(MotorA_PWM, veloc0);
 analogWrite(MotorB_PWM, veloc0);
 }
}

Colocando o Robô seguidor de linha para funcionar

Agora é só por o carrinho pra rodar na pista !

 

Problemas comuns e como resolver

Vale notar que ele pode não fazer o percurso de primeira, o que significa que ajustes devem ser feitos no código ou ate mesmo no hardware. Alguns problemas comuns de acontecer:

• Bateria fraca – Os testes podem ter consumido a bateria e talvez seja necessário o uso de uma nova. Baterias abaixo de 6,5 Volts já começam a diminuir a eficiência do carrinho.
• Carrinho saindo da pista – Isso pode acontecer por ele estar rápido de mais ou por falha do infravermelho. Em caso de ele estar muito rápido basta trocar a velocidade dos motores em cada situação, o nosso código já possui outras velocidades definidas no cabeçalho. Se o problema for com o contraste da pista (talvez parte dela esteja mais escura) use 2 LEDs de alto brilho na frente do carrinho para iluminar a pista próximo aos sensores. Os LEDs podem ir conectados diretos no 5 V do arduino (lembrando de por um resistor de 300Ohms).
• Carrinho não roda – Este é um problema complexo, pois podem ser infinitas possibilidades. Tente isolar os componentes e testar 1 por 1, principalmente os motores e a ponte H. Em alguns casos pode ser problemas de aterramento da bateria também.

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Entendendo a fundo o Software

Declaração de Variáveis

Na primeira parte do código é feita a declaração das variáveis a serem utilizadas. Nota-se que a existe um grande numero de variáveis utilizando #define, isto é por conta de serem apenas nomes associados a números, não precisamos fazer contas com essas variáveis, portanto elas não precisam ser do tipo INT, FLOAT, entre outras.

O fato de declarar algo por meio de #define ocupa menos espaço de memória, o que dá um ganho na velocidade de execução do programa. As únicas variáveis a serem definidas por um tipo são as que armazenarão os valores lidos dos sensores (direita e esquerda), essas variáveis são do tipo bool e portanto só assumem dois estados (FALSE e TRUE).

/*DECLARAÇÃO DE VARIAVEIS*/
#define MotorA_sentido1 2
#define MotorA_sentido2 4
#define MotorB_sentido1 8
#define MotorB_sentido2 9
#define MotorA_PWM 3  
#define MotorB_PWM 10  

#define veloc0 0
#define veloc1 80
#define veloc2 180
#define veloc3 255

#define Sensor_direita 6
#define Sensor_esquerda 7

bool direita, esquerda;

Cada motor possui 3 pinos: 2 para definir o sentido de rotação da roda (IN1 e IN2 / IN3 e IN4) e 1 pra definir a velocidade de rotação (Enable A / Enable B)por meio de valores PWM. Lembre-se de que os pinos de velocidade devem conter o “~” desenhado ao lado da porta na placa Arduino, caracterizando o pino como PWM.

Declaramos também 4 velocidades de PWM que podem ser interpretadas como PARADO, DEVAGAR, NORMAL e RÁPIDO, respectivamente. Os sensores foram definidos em suas respectivas portas digitais(6 e 7) e por fim, foram declaradas 2 variáveis do tipo BOOL para armazenar os valores dos sensores.

Função Void Setup()

A função void setup, que roda apenas uma vez, defini todas as configurações necessárias para funcionamento do sistema.

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(MotorA_sentido1, OUTPUT);
  pinMode(MotorA_sentido2, OUTPUT);
  pinMode(MotorB_sentido1, OUTPUT);
  pinMode(MotorB_sentido2, OUTPUT);
  pinMode(MotorA_PWM, OUTPUT);
  pinMode(MotorB_PWM, OUTPUT);
  pinMode(Sensor_direita, INPUT);
  pinMode(Sensor_esquerda, INPUT);
  
}

Nesta função declaramos as variáveis que definem os pinos utilizados no Arduino como sendo Entrada(INPUT) ou Saída(OUTPUT). Além disso colocamos a função Serial.begin() que inicializa a comunicação serial entre o Arduino e o computador.

MAS O CARRINHO NÃO RODA LIGADO NA BATERIA ?!?!?! Sim, porém precisamos fazer testes antes de executar a versão final, para isso utilizamos alguns comandos via serial para poder calibrar sensores, averiguar execução do programa, entre outros.

Função  Void Loop ()

Em seguida temos o loop do nosso programa onde o carrinho ira fazer suas principais funções.

– Definindo sentido de giro dos motores

Primeiro é necessário definir o sentido de rotação das rodas.

//Define o sentido de rotação dos motores
  digitalWrite(MotorA_sentido1, LOW);
  digitalWrite(MotorA_sentido2, HIGH);
  digitalWrite(MotorB_sentido1, HIGH);
  digitalWrite(MotorB_sentido2, LOW);

Nesta parte do código precisamos mandar um sinal alto e um sinal baixo entre os pares de portas IN1/IN2 e IN3/IN4. Como nosso carrinho não anda pra trás nós vamos setar essas configurações para que as rodas girem no mesmo sentido(pra frente no caso).

Veja que os pares no nosso código estão invertidos, isso acontece por que a montagem de hardware foi invertida entre os motores.

É como se os polos fossem trocados de lugar entre os motores, porém lembre-se que motores DC não possuem polaridade definida, logo podemos inverter a ligação + e – sem problemas. Isso altera apenas o sentido para o qual o motor gira. Essa é uma das partes que devem ser testadas antes da montagem final do carrinho.

– Leituras dos Sensores

Adiante, temos as leituras dos sensores infravermelhos e a impressão na serial dos valores lidos. Isso é apenas para verificar se os sensores estão funcionando corretamente, não interferindo no funcionamento final do projeto.

//Leituras dos Sensores
  direita = digitalRead(Sensor_direita);
  esquerda = digitalRead(Sensor_esquerda);
  Serial.print(direita);
  Serial.print(" || ");
  Serial.println(esquerda);

As variáveis do tipo BOOL são utilizadas para armazenar os valores digitais lidos pelos sensores.

– Controlando a direção do robô

Por fim, temos as condições de giro do motor com base no sensores infravermelhos.

//Rodando os motores dependendo das leituras
 if(direita == false && esquerda == false){
 analogWrite(MotorA_PWM, veloc2);
 analogWrite(MotorB_PWM, veloc2);
 } else if(direita == false && esquerda == true){
 delay(400);
 analogWrite(MotorA_PWM, veloc2);
 analogWrite(MotorB_PWM, veloc1);
 delay(400);
 }else if(direita == true && esquerda == false){
 delay(400);
 analogWrite(MotorA_PWM, veloc1);
 analogWrite(MotorB_PWM, veloc2);
 delay(400);
 
 }else if(direita == true && esquerda == true){
 analogWrite(MotorA_PWM, veloc0);
 analogWrite(MotorB_PWM, veloc0);
 }

Para isso, utilizamos as condições IF Else, que são mais comum. São 2 variáveis combinatórias que geram 4 possibilidades, porém a ultima condição é quase “impossível” (true e true), pois seria a leitura dos sensores detectando a faixa preta ao mesmo tempo (como é um erro estranho, o carrinho deve parar).

Os motores estão ligados em portas DIGITAIS mas lembre-se que estamos utilizando valores PWM, logo as funções de comando são do tipo analogWrite(porta, PWM). Para que o carrinho possa ter tempo de verificar o estado dos sensores novamente, alguns delays de curto período são utilizados, mas isso pode variar de projeto para projeto.

Entendendo a fundo o Hardware

O carrinho funciona com uma comunicação entre os sensores, o Arduino e a ponte H controlando os motores.

Através das leituras do sensores enviadas para o Arduino por meio das portas digitais, o controlador irá acionar um motor mais rápido ou mais devagar do que o outro. Os sensores emitem 5 V (faixa preta) ou 0 V(pista branca) para as portas digitais. O Arduino modula os valores de velocidade pelos valores PWM que variam de 0 volts (0) até 5 volts (255), fazendo isso ao longo de todo trajeto.

Observe que utilizamos apenas 1 bateria para todo o sistema. A bateria que alimenta o Arduino pelo pino P4 energiza não somente o controlador como também a ponte H dos motores por meio do pino Vin do Arduino. Esta porta é capaz de emitir valores maiores do que os 5 volts que o regulador de tensão da placa utiliza. Sendo assim a tensão de entrada no pino P4 é a mesma do pino Vin.

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Conclusão

Este é um dos projetos mais simples de robótica móvel utilizando Arduino e claro que pode ser melhorando em muitos aspectos.

Algumas sugestões de melhorias são:  controle de velocidade PID, desvio de obstáculos, reconhecimento de pista, machining learning, etc.

Desafio

Crie uma função para o robô desviar de obstáculos e retornar para a pista. O sensor ultrassônico é uma ótima opção para ajudar nesse desafio.