Sistema autônomo de estacionamento veicular

7/31/2019 Sistema autnomo de estacionamento veicular

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Sistema autnomo de estacionamento veicularIgor Borges Tavares, Felipe Adriano da Silva Gonalves, Vinicius Toledo Dias, Marcos Jos de Moraes

Filho, Marcus Vinicius Ferreira de Andrade, Luciano Coutinho Gomes, Josu Silva de Morais.Universidade Federal de Uberlndia, Faculdade de Engenharia Eltrica, Laboratrio Servo Mecanismo e Controle (LASEC),

Laboratrio de Acionamentos Eltricos (LAcE)Uberlndia, Minas Gerais, Brasil.

[email protected], [email protected], [email protected]

Resumo - Estacionar muitas vezes um desafio para

alguns motoristas, sobretudo com o espao de

estacionamento limitado nas grandes cidades; posicionar

seu carro em um espao pequeno torna-se uma

habilidade necessria. Raramente tido como uma tarefa

fcil, o ato de estacionar um veculo toma um tempo

considervel e de acordo com o local pode causar

congestionamento do trfego, estresse nos motoristas e

acidentes.

Devido grande evoluo da tecnologiaautomobilstica principalmente nas ultimas duas dcadas,

existem algumas propostas de solues para a situao

exposta anteriormente, e dentre elas a opo de maior

destaque o auto estacionamento.E como objetivos deste projeto propomos implementar

um sistema capaz de realizar o estacionamento de um

prottipo veicular sem a interferncia do motorista

durante a manobra, e com um custo muito inferior ao das

tecnologias atualmente empregadas nessa situao como

cmeras e processadores de alto desempenho. No intuitode validar o modelo, desenvolveu-se um prottipo

experimental utilizando sensores analgicos e digitais,

alm de um microcontrolador altamente flexvel. Osresultados experimentais so expostos e mostram a

viabilidade tcnica da proposta aqui apresentada.

Palavras-Chave - Acionamento, estacionar,

microcontrolador, prottipo, self-parking.

SELF-PARKING CAR

Abstract - Parking is an ordeal for many drivers,

especially with the limited parking facilities in large

cities; squeeze your car into a tiny space becomes a

necessary skill. Rarely had such an easy task, the act of

parking a vehicle takes considerable time and according

to the site may cause traffic congestion, stress on drivers

and accidents.

Due to the great development of automotive technology

especially in the last two decades, there some proposed

solutions to the situation described above, and among

them the option to highlight is the self-parking.1 And as objectives of this project we propose to

implement a system capable of performing the parking

lot of a prototype vehicle without interference from the

driver when maneuvering, and with a much lower cost

than the technologies currently employed in this situation

as cameras and high-performance processors. In order to

validate the model, we developed an experimental

prototype using digital and analog sensors, and a highly

flexible microcontroller. The experimental results are

presented and show the technical feasibility of the

proposal presented here.

Keywords - Driver, microcontroller, prototype,parking, self-parking.

I.INTRODUO

O conceito de auto estacionamento uma ideia queperdura a um longo tempo, desde o inicio dos anos 80,todavia somente no incio dos anos 90 houve tecnologia einvestimentos suficientes para o desenvolvimento de um

prottipo efetivo o qual foi desenvolvido pela Volkswagen, aqual utilizou a tecnologia de auto estacionamento em seucarro-conceito Futura IRVW (sigla para Pesquisa IntegradaVolkswagen). O IRVW estacionava com total autonomia: o

motorista podia sair do carro e observar enquanto o carroestacionava sozinho. Um computador no porta-malascontrolava o sistema porem nunca foi oferecido em ummodelo de produo.

Em 2003, foi disponibilizado comercialmente o primeiroveiculo com a tecnologia de auto estacionamento pela Toyotaem seu hbrido Prius japons. Trs anos mais tarde, osmotoristas britnicos tinham a opo de acrescentar o autoestacionamento ao Prius pelo equivalente a US$ 700. Atagora, 70% dos Prius britnicos foram comprados com esserecurso.

Alm de aplicaes em veiculo convencionaisvislumbramos que o sistema desenvolvido tambm possua

aplicaes industriais, pois, atualmente temos diversosveculos que trabalham dentro da indstria de formaautomatizada, e o auto estacionamento poderia vir acontribuir, por exemplo, na economia de espao quando estasmquinas forem estacionadas. Tambm haveria uma melhorana segurana, j que sistemas microcontrolados possuemmenores chances de erro quando comparados a humanos.

Portanto proposto nesse projeto o estudo e odesenvolvimento de um prottipo capaz de validar uma ideiasimplificada de reproduzir essa tecnologia j existente,substituindo o sensoriamento at ento feito por meio decmeras por um baseado em ondas ultrassnicas. Taladaptao tambm permitir a utilizao de um processador


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relativamente mais simples, tornando o conjunto do projetoeconomicamente mais vivel.

II.HARDWARE DO PROTTIPO

Ao se trabalhar com um sistema autnomo, necessrioum controle preciso da interao do sistema com o ambienteem que este se encontra, para que o projeto se adeque melhora cada condio externa, gerando assim um sistemaadaptativo s diversas variaes do meio. Para que o

prottipo possa se adequar aos variados tamanhos da vaga eas diferentes condies iniciais impostas, necessrio o usode transdutores que convertam as condies analisadas emsinais de tenso que possa ser interpretado pelomicrocontrolador e compensado pelo sistema de controle.

Dos sensores propostos para o uso neste projeto temosum sonar de alto desempenho, que se encarrega da medioda distancia. O LV-MaxSonar - EZ0 , fig. 1, prov umalcance de deteco que varia de uma distncia muito curta

at uma distancia longa, detectando objetos de 0 a 254polegadas (6,45 metros) e fornece informaes com umagama de resoluo de 1 polegada. Os formatos de interfacede sada que esto includos so: sada por largura de pulso(PWM), tenso de sada analgica e sada digital serial.

Fig. 1. LV-MaxSonar - EZ0 , sonar de alto desempenho,transdutor responsvel por medir a distncia entre as vagas e adistancia que o prottipo se encontra com relao aos outros

veculos.

Sua escolha foi baseada no fato de que o sensor medeuma distancia relativamente grande, permitindo assim maior

portabilidade do prottipo para um produto comercial, almde ser de fcil manuseio possibilita uma analise continua dadistncia, logo seu custo beneficio foi superior aos demaisanalisados.

Para o desenvolvimento do modelo foi comprado umveculo infantil radio controlado, para que assim no fossedespendida uma maior ateno na parte construtiva damecnica do prottipo. Pois nossa inteno no tratava emdesenvolver um veculo, mas sim um sistema de controle que

permitisse esse ou outro veculo qualquer realizar oestacionamento, logo para facilitar o desenvolvimento do

projeto foi adquirido prottipo mecnico pronto, vide fig. 2.

Fig. 2. Veculo infantil de radio controlado usado como prottipodo projeto Self-Parking car.

Porm a compensao mecnica nos causou problemasvisto que o sistema de direo e trao do veiculo eramfalhos para o projeto proposto. Para solucionar o problemado controle de direo que possibilitasse um melhor controlea baixas velocidades e um menor ngulo de curvas,substituiu-se o sistema de engrenagens anterior por um servomotor com controle de realimentao digital, como mostradona fig. 3, cujas engrenagens melhor dimensionadas e controlede posio com realimentao por um potencimetro

possibilitou um controle bastante propicio para o sistemaproposto.

Fig. 3. Servo motor utilizado no controle de direo do prottipo doself-parking car.

O sistema necessita de um mtodo para se estimar adistncia percorrida, para isso foi analisado a viabilidade douso de encoders. Devido ao fato do sistema de trao notrabalhar bem a baixas velocidades, caracterstica

problemtica para o sistema analisado, e do sistema precisaraferir a velocidade em tempo real para o controle do veculono processo de entrada na vaga, foi analisado diversosmtodos para se contornar este problema.

Na analise dos encoders, nos foi disponibilizado umLEGO MINDSTORMS NXT, que possui um motor comuma reduo incrvel fornecendo assim um controle preciso a

baixa velocidade e que ainda possui encoder integrado.Ento foi feita uma analise profunda no LEGO

MINDSTORMS NXT, para que pudesse adaptar ao projetosem interferir estruturalmente no que at ento tinha sido

proposto. Um desses problemas era o fato do motor doLEGO possuir um conector prprio, tal limitao quanto aconexo fsica foi superada com a aquisio das funes de

cada pino descritas na tabela I.TABELA I

Pinagem do sensor de entrada e Descrio de sinal

Pin Number Color Name

1 White M1

2 Black M2

3 Red GND

4 Green 4.3V Power

5 Yellow ENC0

6 Blue ENC1

1)Resumo dos pinos: nmeros, cores do fio, e as funes depinos de entrada.

Os pinos fornecem energia ao motor. A tenso mxima a tenso das baterias (9V para pilhas normais e 7.2V para


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baterias NiMH). O motor deve ser controlado por uma ponteH. Uma ponte-H normalmente feita a partir de quatrotransistores, porm seu desenvolvimento por inteiro fica maiscomplexo aumentando assim a placa de circuito impresso aser desenvolvida, por isso foi estudado e adquirido umcircuito integrado desenvolvido especialmente para o uso de

motores, chamado L298, mostrado na figura 4,construtivamente ela possui duas pontes H, com pino deseleo, obtido atravs das portas lgicas AND, e umaalimentao do componente diferente da alimentao domotor permitindo assim o uso de motores de maior potncia,o circuito que representa o L298 encontrado em seudatasheet foi detalhado na figura 5.

Fig. 4. Circuito integrado L298.

Fig. 5. Circuito equivalente do L298, onde mostra as duas pontes-Hpresentes no CI.

O LEGO ainda possui entradas utilizadas para o encoderptico integrado nos motores NXT. O codificador gera sinaisem quadratura, o que permite que o NXT determine a direoe a velocidade do motor. Os dois sinais so pulsosretangulares deslocadas, e a mudana representa um quarto

de um ciclo (da o termo quadratura). A Figura 6 ilustra ossinais do encoder. A frequncia do sinal d a velocidade derotao do motor. Meio-ciclo do sinal corresponde a um graude rotao do motor, da consegue-se projetar um sistemaque calcula a distncia percorrida, a fim de mensurar adistncia entre dois veculos, a fim de determinar se o mesmo capaz de entrar na vaga medida.

Fig. 6. Sinal encontrado pelo encoder que mensura a distanciapercorrida pelo motor.

Definido todos os parmetros relativos parte construtivae operacional do controle foi implementado um circuitoeletrnico que abrangesse as necessidades do projeto

proposto, atravs do circuito representado na figura 7 quepossui ainda o microcontrolador PIC18F2580, que ser maisdetalhado posteriormente.

Fig. 7. Circuito eletrnico montado para controlar o prottipo.

O sistema composto de vrios motores, sendo estesresponsveis tanto pela trao quanto pela direo do veculoem questo, porm como se sabe os motores de correntecontnua possuem alta corrente de partida, pois devido aofato de no estar em movimento o nico limitador dacorrente drenada da fonte a impedncia do enrolamento que bastante pequena, considerada a resistncia do fio.

Na fonte de alimentao real um rpido consumo decorrente promove uma queda de tenso na resistncia interna

da fonte, promovendo assim um efeito conhecido comoafundamento de tenso, mesmo que o motor adotado sejaconsideravelmente pequeno o afundamento de tenso emuma pequena bateria j se torna considervel de analise.

De acordo com o datasheet do fabricante domicrocontrolador ele deve operar com uma tenso mnima,

pois em determinadas condies operacionais no garantido que resposta seja a correta ou at reiniciando o

processador, portanto afundamentos de tenso um detalhebastante importante a ser analisado neste sistema.

Para correo do afundamento de tenso descrito acima, necessrio um circuito estabilizador de tenso que requer o

presena de um regulador de tenso, usado neste projeto o

circuito integrado LM7805, que em condies normaismantm a tenso em 5 volts, foi adicionado ainda capacitoreseletrolticos para que ao ocorrer um afundamento de tensodevido a partida de um motor o capacitor tenha energiaarmazenada suficiente para suprir o sistema neste perodo detempo.

Porm existem ainda rudos presente na placa produzidopor diversos meios, dentre eles temos o rudoeletromagntico gerado pelo motor e pelas escovas, observa-se tambm que devido ao fato de se ter usado umacionamento do tipo PWM, quando o motor requisitarcorrente e esta percorrer toda a placa diversas vezes numafrequncia alta, os condutores da trilha comportar-se-o

como antenas propagando um rudo de alta frequncia queno pode ser filtrado pelo capacitor eletroltico devido a sua


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alta resistncia srie e, portanto usaremos capacitorescermicos para fazer este tipo de interveno, sendo queestas medidas foram feitas em redundncia para a bateria, omotor e o microcontrolador conforme observado na figura 8,que possui os trs grupos de capacitores, o regulador detenso alm de um diodo para proteo da ligao da bateria

em polaridade reversa, tal medida foi tomada para que seevitassem futuros problemas com a ligao que tivemosanteriormente com o desenvolvimento do projeto.

Fig. 8. circuito estabilizador de tenso com os capacitores dealimentao.

Na placa de circuito impresso foi disponibilizado aindabornes para conexo do motor de trao da LEGO conformeconexo disponibilizada anteriormente seguindo o padro decores desenvolveu-se um conector prprio, foidisponibilizado ainda bornes para conexo dos servosmotores, responsveis por girar tanto sensor como a direodo veculo, alm de bornes para conexo do sensorultrassnico citado.

O circuito de processamento do microcontrolador foi

montado de acordo com o datasheet do fabricante,permitindo assim atender as necessidades requeridas para obom funcionamento, como podemos observar o circuitooscilador com capacitores determinados pelo fabricante parao cristal de 10 Mhz.

Para evitar os afundamentos de tenso de alimentao doL298 foram adicionados capacitores, assim como naalimentao da bateria que alimenta o motor do LEGO.

Devido s caractersticas indutivas do motor foi colocadotambm diodos de roda livre para evitar que a energiaarmazenada na bobina seja suficiente para queimar o L298,compondo o circuito da ponte H conforme mostrado nafigura 9.

Fig. 9. circuito da ponte H completo montado conforme odatasheet, contendo os capacitores e os diodos de roda livre.

Do circuito descrito e detalhado acima foi desenvolvidoum layout para a confeco da placa mostrada na figura 10

Fig. 10. Circuito montado com os conectores.

III.DESCRIO DO PROGRAMA

O programa desenvolvido para o prottipo foi

desenvolvido para um micro controladorPIC18F2580 defcil aquisio no mercado brasileiro e que satisfazia todosos requisitos necessrios para a execuo do projeto, que seestendem em perifricos como:

Mdulo PWM com pelo menos dois canais para oacionamento do motor responsvel pela locomoo do

prottipo. Sendo cada canal responsvel pela modulao datenso mdia no motor em suas respectivas polaridades.

Mdulo de converso A/D de pelo menos 10 bits deresoluo, necessrio para a captao do sinal de sada dosensor de distncia que emite uma tenso proporcional adistancia entre ele a superfcie diante dele. Ento por meiodeste pode-se descobrir se em determinado local h ou no

uma vaga.Mdulo de interrupo externa por borda de subida, parauma utilizao precisa do encoder de quadratura acoplado noeixo do motor de trao do veculo utilizado para medir adistncia percorrida pelo prottipo, j que o permetro deseus pneus conhecido, e considerando que no haverescorregamento. Essa medio de distncia utilizada paracalcular o tamanho das vagas e avaliar se o prottipo cabe ouno nela.

Mdulo de interrupo por temporizao que garantir ostempos de amostragens do sinal lido pelo conversor A/D.Alm de facilitar o devido escalonamento das tarefas a seremexecutadas.

O cdigo foi desenvolvido em linguagem C com autilizao da ferramenta de desenvolvimento e compilaoPIC C Compile.

O algoritmo desenvolvido para fazer com que o veculoconsiga localizar as vagas, avali-las pelos seus tamanhos, erealizar a baliza foi desenvolvido tentando espelhar as aesde uma pessoa fazendo as mesmas aes. Tal lgica defuncionamento pode ser observado no diagrama de blocos dafigura 11.

Lgicas secundrias rodam em concorrncia com o fluxoprincipal do programa toda vez que alguma interrupoocorre. Tais lgicas se responsabilizam por fazer a leitura dosensor de distncia quando a interrupo temporal, ou

interpretar os sinais do encoder, caso seja uma interrupoexterna por borda de subida.


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Fig. 11. Diagrama de blocos do fluxo principal dofirmware

IV.RESULTADOS PRTICOS

Com a juno do hardware e do firmware propostos, foipossvel observar aps alguns ajustes que o prottipo cumpretodos os objetivos propostos, sendo possvel validar a ideia.

O nico desafio relevante encontrado nos experimentos

prticos que no havia sido apresentado nas simulaes foiem relao ao deslizamento dos pneus do veculo sobre asuperfcie a qual ele circula. Tal problema foi solucionadoreduzindo a velocidade do prottipo durante a procura davaga e do ato de estacionar, o que reduziu drasticamente oerro no calculo das distancias percorridas e viabilizou aconcluso do trabalho.

Na figura 12 possvel observar um dos testesexecutados e bem sucedidos.

A Figura 12. Teste prtico realizado com o prottipo.

V.CONCLUSES

Pode-se perceber, pela simplicidade dos circuitos, a

viabilidade tcnica e financeira do projeto, validando assim aproposta de substituio de cmeras para sistemas de autoestacionamento, por um sensor ultrassnico mais barato e degrande preciso. Apesar da utilizao de diversas tecnologiascomo servo-motores com controle de realimentao digital,sonar de alto desempenho, microcontrolador, pode-seobservar que o sistema se adaptaria bem se utilizando deoutros atuadores presentes nos veculos de controle com, porexemplo, o controle de um carro ou mesmo de umaempilhadeira ou outro veculo que adotasse o sistema

proposto neste projeto, pois se trata de um sistemaembarcado robusto, que pode ser utilizado em diversosambientes, compacto e de simplificada manuteno.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] ALMEIDA, Pedro. Como funcionam os carros queestacionam sozinhos. , 2010. Disponvel em:. Acesso em:20 abr. 2012.

[2] MAXBOTIX INC. Choose the proper ultrasonicsensor for your application. , 2009. Disponvel em:. Acesso em: 20 jan. 2012.

[3] ODDBOT, Russell. How to use a quadrature

encoder. , 2011. Disponvel em:. Acesso em: 24fev. 2012.

Inicializao dasvariveis econfigurao dosperifricos.

Movimenta

o veculopara frente

Distncia maiordo ue 20 cm?

Avalia a distncia do veculocom a superfcie mais perto desua lateral.

Reinicia o marcador dedistncia percorrida pelo

veculo.

Distncia maiordo ue 20 cm?

Avalia a distncia do veculocom a superfcie mais perto desua lateral.

Faz a leitura da distncia percorridapelo veculo at o momento (esse

o tamanho da vaga)

Tamanho da vagasuficiente para oveculo estacionar?

Reinicia o marcador de distncia percorrida peloveculo. E aguarda at que o mesmo percorra 25cm (tamanho do prottipo), e emparelhe com oobstculo frente da vaga.

Freia o prottipo e estera suasrodas dianteiras para o lado da vaga

Reinicia o marcador de distncia eaciona a r at inteirar 25 cm.

Estera as rodas dianteiras para o lado contrrio eaciona a r por mais 25 cm. (entrando na vaga).

Direciona as rodas dianteiras para frente e encerrao programa.

FluxoPrincipaldo

programa

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