Desenvolvimento de sensores para testes automotivos – Parte 1

On 23 de maio de 2014 by Fabio Oliveira de Paula

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1. Introdução

O projeto visa a realização da instrumentação de um simulador de automóvel. Tal instrumentação abrange a leitura do sentido de direção e velocidade de giro do volante e as posições dos três pedais (acelerador, freio e embreagem). O projeto é dividido em duas etapas. A primeira aborda a instrumentação do volante e a segunda, dos pedais. Abordaremos nesse post (parte 1) apenas a parte referente ao volante e no próximo (parte 2) a parte referente aos pedais.

2. Referencial teórico

Para instrumentalizar o volante, optou-se pela utilização de encoder. Os encoders rotatórios são dispositivos eletromecânicos capazes de gerar e contar pulsos elétricos a partir do movimento rotacional de um eixo. São constituídos por um disco com pelo menos uma faixa com listras radiais e um ou mais sensores óticos compostos por um led, para gerar luminosidade, e um foto-transistor, que é sensível à luz. Ao girar o disco, o sensor capta a variação de luz no foto-transistor e o envia a um microcontrolador.

Pelo movimento rotacional do disco, hora a passagem da luz é obstruída, hora é permitida e essa alternância da luminosidade é captada pelo sensor, gerando, assim um trem de pulso. A figura 1 apresenta um exemplo desse disco com as listras radiais (à esquerda) e o trem de pulso gerado por um movimento circular uniforme (sem aceleração) (à direita).

encodersimples

Figura 1. Disco de encoder simples e trem de pulso

Os encoders rotacionais podem ser classificados como simples, de quadratura ou incremental.

– Encoder simples:
O tipo simples é como o da figura 1. Apresenta apenas uma faixa e é capaz de realizar apenas a leitura da velocidade.

– Encoder de quadratura:
O encoder de quadratura apresenta duas faixas, conforme figura 2. É capaz de ler a velocidade e o sentido de rotação.

encoder2

Figura 2. Montagem de um encoder de quadratura

– Encoder incremental:
O encoder incremental apresenta pelo menos três faixas. É utilizado quando se deseja saber a posição do disco em qualquer momento. Quanto mais faixas, mais sensível à variação angular e maior a resolução.

Para o projeto em questão, como se objetiva determinar a direção do giro e a velocidade de um eixo, optou-se pelo encoder de quadratura. Vale salientar que o encoder incremental também poderia ser empregado, mas apenas demandaria mais recursos sem agragar valor algum ao projeto.

encoder

Figura 3. Diagrama da variação de posição do encoder

 

Tomando por base a figura 3, pode-se observar que, para todos os instantes, o sensor capta dois valores lidos pelos foto-transistores, chamados aqui de variáveis A e B, que podem assumir os valores 1 ou 0 (lógica booleana). Esses valores das variáveis AB variam de acordo com o giro do eixo, assumindo, assim,  os valores 00, 10, 11, 01. Dispondo esses valores graficamente ao longo do tempo e considerando que seja aplicado um movimento circular uniforme, obtem-se um gráfico conforme figura 4.

trem de pulso

Figura 4. Diagrama do trem de pulso gerado por um encoder de quadratura

 

Obtendo a direção de rotação

Realizando a leitura da posição atual e comparando com a medição da posição anterior obtêm-se a direção de rotação. Por exemplo, se no instante 1 os valores lidos de A e B são respectivamente 1 e 0 e no instante 2 os novos valores lidos são 1 e 1, conclui-se que girou no sentido anti-horário. Por outro lado, se os novos valores medidos são 0 e 0, conclui-se que girou no sentido horário. Para melhor entendimento, essa análise pode ser feita através do diagrama da figura 3.

 

Obtendo a velocidade de rotação

Para obtenção da velocidade é necessária apenas uma faixa de listras radiais. Pela Mecânica Clássica é sabido que:

equacao

onde v é a velocidade, Δd é a variação do deslocamento, dada pela distância entre duas listras, e Δt é a variação do tempo decorrido para alteração do estado da variável.

 

3. Metodologia

Para a realização do projeto foi desenvolvido um protótipo para auxiliar no desenvolvimento do código e nas primeiras medições.

O protótipo é constituído por uma estrutura de alumínio para dar sustentabilidade às demais partes, um disco de vidro sustentado pelo centro através de um eixo, uma roda para girar esse eixo e a placa do sensor, que será detalhada adiante.

A montagem permite o movimento circular o disco. Tal movimento é aplicado à roda em seu centro. Nas extremidades do disco pode-se notar duas faixas de listras, que o classificam como encoder de quadratura. A figura 5 apresenta uma vista em perspectiva do protótipo onde é possível notar todas as partes citadas.

O diagrama do encoder (as duas faixas) foi construído com o auxílio de uma página na internet dedicada à este fim (http://www.bushytails.net/~randyg/encoder/encoderwheel.html). De acordo com as dimensões e a aplicabilidade do protótipo, os parâmetros utilizados são indicados na tabela 1.

 

Tabela 1. Parâmetros do diagrama do disco do encoder

Valor atribuído Descrição
256 Passos (ao redor da roda) (para uma roda de quadratura de 1 bit, este deve ser o dobro do número de slots)
2 Bits (quantos para gerar a roda para)
491.3 Raio interno (pixels)
50 Largura de cada banda (pixels)
30 Espaço entre bandas (pixels)
25 Largura das fendas de fotodiodos, em percentagem da largura de bit?
50 Largura das fendas de fotodiodos, em por cento da largura de banda?
2 Espaçamento de slots fotodiodo ao redor do disco, como seriam espaçadas se houvesse esse número em torno do disco.
2 Número de slots para realmente desenhar, acima de espaçamento?

 

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Figura 5. Protótipo

 

Para a geração dos pulsos elétricos foi desenvolvido um circuito eletrônico composto por dois sensores, sendo um para cada faixa do encoder. Cada um desses sensores é constituídos por um led (diodo emissor de luz) e um foto-transistor, além de dois resistores de 100Ω e 1KΩ. A figura 6 apresenta a placa eletrônica do sensor simplificado. Para a leitura do encoder de quadratura, foram implementados dois circuitos como o do diagrama na mesma placa.

diagrama circuito

Figura 6. Diagrama eletrônico para um sensor ótico

 

Os sensores (led + foto-transistor) são montados em um elemento único, sobrepostos, de forma que o feixe de luz criado pelos leds alcancem ambas faixas do encoder. Pela figura 7 observa-se a disposição dos componentes na placa construida de forma que ocupe o menor espaço possível.

A placa contém também quatro pinos como terminais que interligam o sensor ao microcontrolador e fornecem a alimentação necessária. O sensor opera com tensão de 5V e o terra (GND = 0V). Os outros dois pinos são utilizados para transmissão dos dados de cada um dos sensores.

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Figura 7. Placa de circuito do sensor – vista superior

Pela figura 8 é possível notar que o sensor envolve a extremidade do disco, não o tocando. Nota-se também a disposição sobreposta dos sensores.

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Figura 8. Protótipo – vista lateral

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Figura 9. Protótipo – vista superior

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