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).

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.

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.

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.

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:

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

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.

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.

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.

Figura 8. Protótipo – vista lateral

Figura 9. Protótipo – vista superior