Figura 1-Sistema Atmega328p + L293D + Sensores IR + Bluetooth HC-06 + Motores DC + Servo Motores + PIXYCAM :

Figura 2- Subsistema Motores DC:

Figura 3- Subsistema Sensores IR:

Figura 4- Subsistema L293D:

Figura 5- Subsistema PIXYCAM:

Figura 6- Subsistema Servo Motores:

Figura 7- Sistema AtMega328p + Módulo Bluetooth HC-06 + PC:

Figura 8- Aplicação debugging:

- Pinos: 28;

- Memória de Programa (Flash): 32Kbyte;

- Memória de Dados (RAM): 2 Kbyte;

- Memória EEPROM: 1 Kbyte;

- Velocidade de Operação: até 20MHz;

- 33 portas de entrada/saída;

- 8 canais analógicos com 10 bits cada;

- Tensão de Operação: de 1,8V à 5,5V;

- 2 Módulos CCP (Capture/Compare/PWM);

- 3 Timers: 2 de 8 bits e 1 de 16bits;

- Comunicação Serial (USART, SPI, I2C)

Figura 9- ATMega328P

- Tensão da operação: 3V a 5,5V;

- Faixa de medição: 0,2mm a 15mm;

- Distância máxima: 25mm;

- Pinos: 4;

Figura 10- Sensor IR (TCRT50000)

- Tensão de operação: 3 a 9V;

- Corrente de operação: 0,35 a 0,5A

Figura 11- Motor DC 130

- Distância Maxima de Comunicação: 10m;

- Conexão de UART de 2 pinos (Tx e Rx)

- Tensão da operação: 3.3V a 5V;

- Perfis Suportados: Slave;

Figura 12- Módulo Bluetooth HC-06

- Tensão de operação: 3 a 7,2V;

- Ângulo de rotação: 180º

Figura 13- Servo Motor

- Processador: NXP LPC4330, 204 MHz, dual core;

- Sensor de imagem: Aptina MT9M114, 1296×976;

- Campo de visão da lente: 60 graus na horizontal, 40 vertical

- Consumo de corrente: 140 mA

- RAM: 264K bytes

- Flash: 2M bytes

- Tipos de outputs: UART serial, SPI, I2C, USB, digital, analogico

Figura 14- Pixycam [8]

- Capacidade:1550mAh;

- Tensão: 11,1V;

- Taxa C: 75C;

- Categoria: Li-Po;

Figura 15- Esquema Elétrico

Figura 16- Placa PCB (top)

Figura 17- Placa PCB (top e bottom sem ground)

Figura 18- Placa PCB (top e bottom)

Funcionamento

PWM[1]:

- A modulação PWM é utilizada neste projeto de modo a influenciar vários fatores deste projeto, sendo que se utilizou todos os Timers disponíveis para o nosso projeto funcionar.

- Utiilizou-se o Timer0 para alterar a velocidade dos motores. Ao conectar cada um dos pinos (PD5 e PD6) de saída deste timer com valores de comparação (OCR) diferentes a cada um dos enables da ponte H (L293D) conseguiu-se ter uma velocidade diferente para cada um dos motores, que é necessário para o tipo de controlo implementado (PID);

Figura 19- TIMER1 e TIMER2

- O Timer1 e TImer2 tiveram a mesma funcionalidade, sendo que foram ambos utilizados para a interface spi contribuindo cada um com um pino (PB1 e PB2), os restantes dois pinos (PB1 e PD3) foram utilizados para controlar a posição de cada um dos servos (X e Y, respectivamente).

- A frequência final dos timers 1 e 2 é idêntica (50hz), sendo que para o timer 1 (eixo X) configurou-se com o pwm não invertido, prescaler igual a 64 e modo 14 (fastpwm), dando ao ICR1 o valor de 4999. Para o timer 2 configurou-se como pwm não invertido, prescaler igual a 128 e modo 3 (fastpwm).

Figura 20- TIMER1 e TIMER2

SPI [8]:

- De modo a fazer a interface SPI com a PIXYCCAM utilizamos uma biblioteca disponível no github[8]. Conectamos os pinos PB2, PB3, PB4 e PB5 na pixy de modo a fazer a interface com o atmega328p. Sendo que os valores recebidos são utilizados para alterar os valores OCR1A e OCR2B de modo a centralizar o objeto detetado.

PID[9]:

- Para o PID utilizamos um sistema de "pesos" sendo que cada sensor tem um determinado valor para o cálculo do ajuste dos motores[Figura 22]. De modo a configurar o PID utilizamos os valores seguintes: para o ganho proporcional foi utilizado o valor de 2, mas para que tenhamos em conta o overshoot, é necessário a implementação do ganho derivativo, este é aproximadamente 20 vezes maior ao ganho proporcional, e ainda o ganho integral é aproximadamente 0 (0,002) de maneira a dar uma melhor estabilidade ao sistema.

Figura 21- Cálculo PID

Figura 22- Atribuição de ajuste

Bluetooth[10]:

- De modo a efetuar a conecção Bluetooth entre o PC e o atmega utilizamos uma biblioteca[9] que faz a inicialização da ligação, para a receção de dados utilizamos, como descrito anteriormente, a aplicação Serial Debug Assistant.

FLuxogramas:

Figura 23- Fluxograma do Sistema

Durante a realização do projeto, ocorreram vários problemas, o primeiro deve-se à calibração com base no controlo digital PID, cuja mesma ainda não está totalmente finalizada.

Em relação aos sensores infravermelhos não existe nenhum problema a relatar, obtendo o funcionamento desejado. Na comunicação SPI é onde verificamos maior dificuldade, não conseguindo recolher a informação da câmara necessária para o controlo dos servos.

Não encontramos problemas na conexão Bluetooth utilizada para debugging.

Existem ainda alguns problemas relacionados com o hardware, devido ao sobreaquecimento de alguns dos componentes, em questão o driver do motor L293D, que continua, após a implementação de um dissipador, a aquecer ligeiramente, e ainda o regulador de tensão LM7805 que após um dissipador e um segundo regulador de tensão em módulo(também designado por Buck converter), obteve a maior descida de temperatura.

A implementação da placa pcb projetada seria uma melhoria no projeto, sendo que iria compactar o tamanho do circuito consideravelmente. A resolução das várias implementações acima descritas iriam proporcinar um melhor funcionamento do projeto em geral.

		Veículo Autónomo com CMUCAM							LABSI 2019
Autores:
	Diogo Paupério - 1151615					1151615@isep.ipp.pt
	Pedro Apura - 1161089					1161089@isep.ipp.pt
Introdução		Arquitetura	Hardware	Software	Resultados	Conclusões	Referências	Estado de Arte


Introdução										Início
No ambito da unidade curricular de LABSI, propusemos a criação de um agv seguidor de linha que detetasse objetos através da cor. Ao ligar o AGV este deve seguir uma linha preta definida pelos responsáveis da disciplina. O controlo dos motores do AGV serão feitos através da interface do atmega328p com o modulo L293D, por efeito de dois sinais PWM um para cada motor. Utilizando o modulo PIXYCAM5 para a deteção do objeto de cor e para relatar a posição do objeto de volta para o atmega328p através de uma interface spi. Por fim quando o objeto se encontrar no centro, ativa-se um atuador(laser). Objetivos do projeto: • Interface atmega328p com L293D; • Interface sensores IR com atmega328p; • Comunicação via Bluetooth; • Controlo dos motores DC; • Interface SPI entre o atmega328p e a PIXYCAM; • Gerar sinais PWM para cada um dos motores DC e servo motores;
Arquitetura										Início
Sistema Atmega328p + L293D + Sensores IR + Motores DC + Servo Motores + PIXYCAM Figura 1-Sistema Atmega328p + L293D + Sensores IR + Bluetooth HC-06 + Motores DC + Servo Motores + PIXYCAM : Atmega 328p: Microcontrolador que permite processar a informação que recebe, de modo a gerar um output, que neste subsistema corresponde à variação da velocidade dos motores DC e posição dos servos. Motores DC: Motor elétrico de corrente contínua, que transforma energia elétrica em mecânica. L293D: Driver que permite o controlo de motores através da ponte H. Sensores IR: Sensores de infravermelhos composto por um emissor e um recetor. PIXYCAM: Uma câmara com um microcontrolador integrado, com o propósito de ser utilizada na investigaçaõ robótica. Sero Motores: Um motor no qual podemos controlar a sua posição angular atravé de um sinal pwm. Subsistema Motores DC Figura 2- Subsistema Motores DC: AtMega328P: Ao receber os dados dos sensores, o microcontrolador vai comparar o valor de referência com o valor obtido. De seguida irá gerar dois sinais PWM para o L239D. Provocando ou não uma alteração na velocidade dos motores, e uma possível inversão de rotação dos mesmos. Controlo dos motores: Permite aumentar ou diminuir a velocidade dos motores. Subsistema Sensores IR Figura 3- Subsistema Sensores IR: AtMega328p: Ao receber os valores analógicos dos sensores, o microcontrolador vai tomar medidas conforme os seus valores. Controlo Sensores IR: Permite receber os valores de tensão e convertê-los para analógico. Subsistema L293D Figura 4- Subsistema L293D: AtMega328p: O microcontrolador vai gerar dois sinais PWM para o L239D, como também o sentido de rotação dos motores, resultante da ponte H do circuito integrado. Controlo do L293D: Permite aumentar ou diminuir a velocidade dos motores, e inverter o sentido de rotação. Subsistema PIXYCAM Figura 5- Subsistema PIXYCAM: AtMega328p: O microcontrolador vai recolher os valores de posição da PIXYCAM, através da interface SPI. Controlo da PIXYCAM: Permite recolher os valores de posição X e Y para o microcontrolador. Subsistema Servo Motores Figura 6- Subsistema Servo Motores: AtMega328p: O microcontrolador vai gerar dois sinais PWM para cada um dos servo motores, de modo a indicar a posição X e Y. Controlo dos servo motores: Permite controlar a posição dos servos. Sistema Módulo Bluetooth HC-06 + AtMega324P + PC Figura 7- Sistema AtMega328p + Módulo Bluetooth HC-06 + PC: AtMega328P: Executa o programa normalmente à medida que envia valores para debugging, diretamente para o módulo Bluetooth. Módulo Bluetooth HC-06: Ao receber os valores do microcontrolador, estes vão ser enviados para o PC através do módulo Bluetooth. De modo a conseguir realizar um debugging mais eficiente e mais prático. PC: Recebe os dados do microcontrolador e apresenta-os numa aplicação. Figura 8- Aplicação debugging:
Hardware										Início
Descrição do Hardware: ATMega 328P [1] - Pinos: 28; - Memória de Programa (Flash): 32Kbyte; - Memória de Dados (RAM): 2 Kbyte; - Memória EEPROM: 1 Kbyte; - Velocidade de Operação: até 20MHz; - 33 portas de entrada/saída; - 8 canais analógicos com 10 bits cada; - Tensão de Operação: de 1,8V à 5,5V; - 2 Módulos CCP (Capture/Compare/PWM); - 3 Timers: 2 de 8 bits e 1 de 16bits; - Comunicação Serial (USART, SPI, I2C) Figura 9- ATMega328P Sensor IR (TCRT5000) [2] - Tensão da operação: 3V a 5,5V; - Faixa de medição: 0,2mm a 15mm; - Distância máxima: 25mm; - Pinos: 4; Figura 10- Sensor IR (TCRT50000) Motor DC 130 [3] - Tensão de operação: 3 a 9V; - Corrente de operação: 0,35 a 0,5A Figura 11- Motor DC 130 Módulo Bluetooth HC-06 [4] - Distância Maxima de Comunicação: 10m; - Conexão de UART de 2 pinos (Tx e Rx) - Tensão da operação: 3.3V a 5V; - Perfis Suportados: Slave; Figura 12- Módulo Bluetooth HC-06 Servo Motor [5] - Tensão de operação: 3 a 7,2V; - Ângulo de rotação: 180º Figura 13- Servo Motor Pixycam [6] - Processador: NXP LPC4330, 204 MHz, dual core; - Sensor de imagem: Aptina MT9M114, 1296×976; - Campo de visão da lente: 60 graus na horizontal, 40 vertical - Consumo de corrente: 140 mA - RAM: 264K bytes - Flash: 2M bytes - Tipos de outputs: UART serial, SPI, I2C, USB, digital, analogico Figura 14- Pixycam [8] Tattu [7] - Capacidade:1550mAh; - Tensão: 11,1V; - Taxa C: 75C; - Categoria: Li-Po; Figura 14- Bateria Esquemas Elétricos Figura 15- Esquema Elétrico Placa PCB Figura 16- Placa PCB (top) Figura 17- Placa PCB (top e bottom sem ground) Figura 18- Placa PCB (top e bottom)
Software										Início
Funcionamento PWM[1]: - A modulação PWM é utilizada neste projeto de modo a influenciar vários fatores deste projeto, sendo que se utilizou todos os Timers disponíveis para o nosso projeto funcionar. - Utiilizou-se o Timer0 para alterar a velocidade dos motores. Ao conectar cada um dos pinos (PD5 e PD6) de saída deste timer com valores de comparação (OCR) diferentes a cada um dos enables da ponte H (L293D) conseguiu-se ter uma velocidade diferente para cada um dos motores, que é necessário para o tipo de controlo implementado (PID); Figura 19- TIMER1 e TIMER2 - O Timer1 e TImer2 tiveram a mesma funcionalidade, sendo que foram ambos utilizados para a interface spi contribuindo cada um com um pino (PB1 e PB2), os restantes dois pinos (PB1 e PD3) foram utilizados para controlar a posição de cada um dos servos (X e Y, respectivamente). - A frequência final dos timers 1 e 2 é idêntica (50hz), sendo que para o timer 1 (eixo X) configurou-se com o pwm não invertido, prescaler igual a 64 e modo 14 (fastpwm), dando ao ICR1 o valor de 4999. Para o timer 2 configurou-se como pwm não invertido, prescaler igual a 128 e modo 3 (fastpwm). Figura 20- TIMER1 e TIMER2 SPI [8]: - De modo a fazer a interface SPI com a PIXYCCAM utilizamos uma biblioteca disponível no github[8]. Conectamos os pinos PB2, PB3, PB4 e PB5 na pixy de modo a fazer a interface com o atmega328p. Sendo que os valores recebidos são utilizados para alterar os valores OCR1A e OCR2B de modo a centralizar o objeto detetado. PID[9]: - Para o PID utilizamos um sistema de "pesos" sendo que cada sensor tem um determinado valor para o cálculo do ajuste dos motores[Figura 22]. De modo a configurar o PID utilizamos os valores seguintes: para o ganho proporcional foi utilizado o valor de 2, mas para que tenhamos em conta o overshoot, é necessário a implementação do ganho derivativo, este é aproximadamente 20 vezes maior ao ganho proporcional, e ainda o ganho integral é aproximadamente 0 (0,002) de maneira a dar uma melhor estabilidade ao sistema. Figura 21- Cálculo PID Figura 22- Atribuição de ajuste Bluetooth[10]: - De modo a efetuar a conecção Bluetooth entre o PC e o atmega utilizamos uma biblioteca[9] que faz a inicialização da ligação, para a receção de dados utilizamos, como descrito anteriormente, a aplicação Serial Debug Assistant. FLuxogramas: Figura 23- Fluxograma do Sistema
Resultados										Início
Durante a realização do projeto, ocorreram vários problemas, o primeiro deve-se à calibração com base no controlo digital PID, cuja mesma ainda não está totalmente finalizada. Em relação aos sensores infravermelhos não existe nenhum problema a relatar, obtendo o funcionamento desejado. Na comunicação SPI é onde verificamos maior dificuldade, não conseguindo recolher a informação da câmara necessária para o controlo dos servos. Não encontramos problemas na conexão Bluetooth utilizada para debugging. Existem ainda alguns problemas relacionados com o hardware, devido ao sobreaquecimento de alguns dos componentes, em questão o driver do motor L293D, que continua, após a implementação de um dissipador, a aquecer ligeiramente, e ainda o regulador de tensão LM7805 que após um dissipador e um segundo regulador de tensão em módulo(também designado por Buck converter), obteve a maior descida de temperatura. A implementação da placa pcb projetada seria uma melhoria no projeto, sendo que iria compactar o tamanho do circuito consideravelmente. A resolução das várias implementações acima descritas iriam proporcinar um melhor funcionamento do projeto em geral.
Conclusões										Início
Em geral esta unidade curricular permitiu a utilização de várias metodologias adquiridas ao longo do percurso da licenciatura, embora que não estivéssemos à espera da dificuldade a que nos propusemos inicialmente, encontrando mais problemas do que os esperados. Este projeto ainda tem bastantes aspetos a melhorar, entre eles a calibração do PID, a interface SPI com a PIXYCAM e a diminuição do sobreaquecimento nos componentes que poderá ser mitigado com a implementação da placa pcb. Para futuros interessados no presente projeto, recomendamos a PIXYCAM, embora a implementação em avr seja mais complicada, as funcionalidades que já trás de origem abrem a porta para muitos e variados projetos.
Referências										Início
[1] AtMega 328P: https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/SMD/ATMega328.pdf Sensor IR: https://pt.aliexpress.com/item/32798240743.html?spm=a2g0o.productlist.0.0.48cb5452w8FFNK&s=p&algo_pvid=56b4404b-28cd-49e4-aea6-5fefce210723&algo_expid=56b4404b-28cd-49e4-aea6-5fefce210723-2&btsid=a6e9d071-b14e-4a6d-8e8d-095783bfeaca&ws_ab_test=searchweb0_0,searchweb201602_5,searchweb201603_53 [3] Motor DC: https://www.adafruit.com/product/711 [4] Módulo Bluetooth HC-06: https://www.electrofun.pt/comunicacao/modulo-bluetooth-arduino-hc06#review [5] Servo Motor: https://www.electrofun.pt/robotica/servo-motor-mg90s [6] Pixycam: https://docs.pixycam.com/wiki/doku.php?id=wiki:v2:overview [7] Bateria Tattu: https://www.genstattu.com/tattu-1550mah-11-1v-75c-3s1p-lipo-battey-pack-with-xt60-plug.html [8] Pixycam SPI interface: https://github.com/rashintha/pixy-avrl [9] PID: https://moodle.isep.ipp.pt/pluginfile.php/278136/mod_resource/content/4/T10_Controlo_uC_RSB.pdf [10] Bluetooth: https://abratukhin.blogspot.com/2015/04/connect-atmega328-with-hc-05-zs-040.html
Estado de Arte										Início