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Circuito de Veículo Seguidor de Linha Simples

O artigo explica um circuito de veículo seguidor de linha simples, também conhecido como veículo rastreador de linha, usando apenas alguns amplificadores operacionais e alguns outros componentes, sem usar Arduino ou microcontroladores complexos.

O que é um veículo seguidor de linha

Um veículo seguidor de linha é uma forma de Veículo Guiado Automático (AGV) que funciona detectando uma linha branca desenhada ou embutida no solo. O sinal dos detectores comanda as rodas motorizadas para girar e ajustar automaticamente de acordo com a linha, dando a impressão de que o veículo está seguindo a linha. Daí o nome seguidor de linha.

Basicamente, os detectores estão na forma de fotorresistores, como LDRs ou semicondutores, detectores de luz, como fotodiodos ou fototransistores.

Alguns desses detectores de luz são usados, que detectam a luz refletida da linha branca e comutam um circuito transistorizado ou comparadores baseados em amplificador operacional, que por sua vez controlam os motores das rodas do veículo para manobrar de acordo com as curvas e curvas do branco. linha no chão.

Usando Comparadores de Janelas

No circuito do veículo seguidor de linha proposto, usamos alguns comparadores de amplificadores operacionais para acionar os motores no ato de equilíbrio.

Os amplificadores operacionais são manipulados como compartimentos de janela. Como o nome sugere, um comparador de janela compara o sinal de entrada dos detectores com duas referências de tensão extremas que constituem os limites da “janela”. Enquanto o nível do sinal de entrada estiver dentro desses limites de referência de “janela”, a saída de ambos os amplificadores operacionais mantém uma lógica alta em suas saídas.

No entanto, em um evento em que o sinal de entrada tende a cruzar os limites de referência, a saída do amplificador operacional relevante fica baixa, resultando em saídas opostas dos amplificadores operacionais. Este desequilíbrio faz com que os dispositivos de saída corrijam a situação comutando as cargas apropriadamente.

Como funciona o circuito

Referindo-se ao diagrama de circuito do veículo seguidor de linha abaixo, podemos ver dois amplificadores operacionais configurados como comparadores de janela.

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OS AMPLIFICADORES OPERACIONAIS PODEM SER DO IC LM358 OU LM324

O amplificador operacional superior é conectado para controlar o limite de limite superior, enquanto o amplificador operacional inferior é conectado para controlar o limite de limite inferior.

A entrada inversora do amplificador operacional A1 e a entrada não inversora do amplificador operacional A2 são fixadas com tensão de referência fixa

A entrada não inversora do amplificador operacional A1 e a entrada inversora do amplificador operacional A2 são vinculadas e usadas para detectar as variações no sinal de entrada dos detectores de luz.

Os dois resistores dependentes de luz, LDR1 e LDR2, que atuam como dispositivos sensíveis à luz, são posicionados como detectores de luz, de modo que recebem a luz refletida da linha branca uniformemente sobre eles.

Enquanto a luz nos LDRs estiver adequadamente alta e uniforme, o pino3 de A1 permanece mais alto que seu pino2, já que o LDR1 está conectado com a linha positiva. Isso faz com que sua saída seja alta.

Da mesma forma, o pino6 de A2 é mantido mais baixo que seu pino5 devido à conexão LDR2 com a linha de aterramento, e isso permite que a saída de A2 permaneça alta.

Em outras palavras, quando os LDRs estão uniformemente acesos, as entradas não inversoras (+) de ambos os amplificadores operacionais são mantidas mais altas do que suas entradas inversoras (-), fazendo com que suas saídas fiquem altas.

Com ambas as saídas altas, os drivers do transistor mantêm os respectivos motores funcionando uniformemente, o que permite que o veículo corra suavemente em uma linha reta.

Como o veículo segue a linha

Quando uma linha curva branca é encontrada, um dos LDRs se desvia da linha causando uma diferença de luz no ponto A do circuito. Isso subsequentemente faz com que a saída do amplificador operacional relevante fique baixa e uma parada momentânea do motor relevante.

Nesta situação, o motor do outro lado que ainda está em funcionamento força o veículo a girar em direção ao ângulo de flexão da linha, o que traz o LDR sombreado de volta à região iluminada da linha branca. Quando isso acontece, ambos os motores voltam a funcionar, permitindo que o veículo funcione normalmente.

A comutação automática de LIGAR/DESLIGAR acima nos motores esquerdo/direito em resposta às variações de luz das linhas brancas curvas força o veículo a continuar ajustando e manobrando de acordo com a linha branca.

Como construir o veículo

Em um dos meus posts anteriores, aprendemos como um veículo simples de controle remoto pode ser construído usando apenas alguns motores conectados à borda traseira de uma placa retangular e um par de rodas falsas na borda frontal da placa.

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CIRCUITO DE VEÍCULO SEGUIDOR DE LINHA SIMPLES 15

Para o circuito de veículo seguidor de linha proposto também, empregamos uma construção semelhante para o veículo, conforme exibido na figura acima.

O arranjo parece bastante simples, as rodas traseiras são conectadas com motores que são controlados pelos drivers do transistor nas saídas do amplificador operacional.

Quando o veículo se desvia da linha, a diferença no nível de luz nos LDRs desliga um dos amplificadores operacionais, parando o motor relevante.

Isso força o motor do lado oposto que está em funcionamento, a virar para o lado do motor parado, ou seja, se o motor do lado esquerdo for freado, o veículo será forçado a virar para a esquerda, ajustando-se à linha de flexão, no mesmo sentido.

Isso também sugere que a integração do motor esquerdo/direito com as saídas do amplificador operacional deve ser feita adequadamente, de modo que a direção de flexão da linha e o motor que está sendo parado estejam no mesmo lado do veículo.

Como posicionar os LDRs

Como os dois LDRs (LDR1 e LDR2) devem detectar a luz refletida da linha branca de maneira uniforme, sua orientação deve ser perpendicular ao comprimento da linha, conforme mostrado abaixo.

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CIRCUITO DE VEÍCULO SEGUIDOR DE LINHA SIMPLES 16

Aqui, assumimos que o veículo está rodando da direita para a esquerda, seguindo uma linha traçada no mesmo caminho.

A largura total dos LDRs deve estar dentro da largura da linha.

Os LDRs e o LED devem ser instalados na superfície inferior do veículo e, preferencialmente, na parte traseira, logo abaixo do conjunto de rodas traseiras.

O LED indicado é um LED branco com um resistor de 1K em série. Ele deve ser posicionado próximo aos LDRs e no centro, garantindo que a luz do LDR não atinja os LDRs diretamente, em vez disso, a luz deve atingir os LDRs por reflexão da linha branca abaixo deles.

Especificações do motor

Os motores podem ser de qualquer tipo escovado de ímã permanente, mas devem ser equipados com uma caixa de engrenagens para garantir que o movimento do veículo seja adequadamente lento e estável.

A potência nominal do motor deve ser de acordo com a carga que o veículo deve transportar. Isso pode ser testado através de alguma experimentação prática.

Como configurar

Para montar este circuito de veículo seguidor de linha, você terá que dispor uma pequena faixa de linha branca pintada em uma superfície plana, ou uma fita branca colada na superfície plana.

Posicione o sistema (sem rodas) sobre a linha, conforme indicado no diagrama anterior, de forma que os LDRs e o LED fiquem corretamente ajustados dentro da largura da linha.

Ligue a energia, o LED branco deve iluminar a área sob ele brilhantemente. Ajuste as duas predefinições até que ambos os motores sejam ligados simultaneamente.

Agora desloque a unidade ligeiramente para a direita para que o LDR1 se mova para fora da linha branca.

O motor esquerdo deve parar. Se não, ajuste o P1 até que o motor esquerdo pare.

Em seguida, mova a unidade ligeiramente para a esquerda para que o LDR2 saia da linha branca. Isso deve parar o motor do lado direito. Se isso não acontecer, ajuste a predefinição de 10k até que o motor do lado direito pare.

Isso completará os procedimentos de configuração e agora você poderá instalar as rodas nos motores e usar este veículo guiado para seguir automaticamente uma pista definida no solo.

Linha Branca x Linha Preta

O sistema de veículo seguidor de linha proposto é baseado em uma linha branca embutida no solo, em vez de uma linha preta. A vantagem de usar uma linha branca em vez de uma linha preta é a seguinte:

A linha branca parece mais elegante e decente em comparação com a linha preta.

O seguidor de linha baseado em linha branca pode funcionar mesmo na escuridão total ou com pouca luz ambiente. Projetos baseados em luz negra normalmente requerem uma iluminação externa para manter o veículo operacional.

Um AGV baseado em linha branca funciona com mais precisão independentemente da cor do ladrilho, exceto para ladrilhos extremamente brancos ou equivalentes à cor da linha branca.

Convertendo o veículo em um seguidor de linha preta

Apesar das vantagens acima, se o usuário preferir que o veículo siga uma linha preta, então o sistema pode ser facilmente transformado para isso através de algumas modificações rápidas no projeto proposto.

O usuário apenas troca ou troca as conexões dos pinos de entrada dos amplificadores operacionais com os presets, e remove o LED associado aos LDRs.

Outro circuito seguidor de linha simples

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CIRCUITO DE VEÍCULO SEGUIDOR DE LINHA SIMPLES 17

O amplificador operacional U1a alterna sua saída de positivo para negativo e vice-versa, em resposta à alteração dos níveis de luz nos dois LDRs.

Essa resposta é amplificada pelo amplificador operacional U1b e alimenta os amplificadores operacionais do driver U1c, U1d.

Quando a luz refletida da linha que cai no LDR1 (R1) é alta, as entradas não inversoras de U1c e U1d recebem um sinal positivo, o que faz com que suas saídas se tornem positivas.

Este positivo de suas saídas faz com que Q1 ligue, pois é um NPN, e isso liga o relé conectado, que por sua vez faz com que o motor relevante no relé K1 desligue, para que o veículo possa se torcer momentaneamente e corrigir sua orientação até que uma luz uniforme seja recebida nos LDRs.

Por outro lado, se ocorrer o contrário, ou seja, se o LDR2 (R2) receber mais luz do solo devido a uma desorientação do veículo, ou talvez devido à própria linha fazer uma curva, isso resulta em uma tensão negativa a ser fornecida nas entradas não inversoras do U1c e U1d, cujas saídas agora se tornam negativas.

A lógica negativa agora é respondida pelo transistor PNP, mas o transistor NPN permanece imparcial e não conduz.

O relé PNP conduz e para o motor conectado relevante para garantir que o veículo se torça e corrija a orientação até que ambos os LDRs tenham luz igual sobre eles.

Outro Circuito Seguidor de Linha Branca (Controle de Direção)

Os sensores aplicados para verificar a linha branca são construídos usando alguns resistores dependentes de luz (LORs) que são direcionados em ambos os lados da linha para garantir que cada LDR olhe para as seções meio escuras e meio brancas do solo. A linha branca é iluminada por meio de uma lâmpada para garantir que os LDRs tenham uma resistência comparativamente baixa.

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CIRCUITO DE VEÍCULO SEGUIDOR DE LINHA SIMPLES 18

Se o carro ou o veículo for desviado da linha central, um dos LDRs testemunhará uma porcentagem maior de ‘branco’, fazendo com que sua resistência caia proporcionalmente. Uma vez que ambos os LDRs estão ligados em série através da tensão de alimentação, isso implica que a tensão na junção dos LDRs mudará à medida que o veículo viaja enquanto segue a linha branca torcida.

Esta tensão variável é comparada com a configuração do RVI predefinido através dos transistores Q1 e Q2. O sinal de erro assim gerado ajusta a direção de rotação do servo motor de acordo com a tentativa de compensar o erro, garantindo que o veículo se ajuste e siga a pista branca corretamente.

O resistor R10 fornece a realimentação negativa para minimizar o ‘ganho de malha aberta’, enquanto a realimentação dinâmica é fornecida por meio do capacitor C1, que está posicionado para reduzir o overshoot.

Lembre-se que o servo motor mostrado na figura acima deve ser configurado com um mecanismo de direção do veículo, de forma que a direção seja ajustada adequadamente pelo motor para manter o veículo corretamente focado na linha branca.

Projetos de PCB

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CIRCUITO DE VEÍCULO SEGUIDOR DE LINHA SIMPLES 19
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CIRCUITO DE VEÍCULO SEGUIDOR DE LINHA SIMPLES 20

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FONTE


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