Artigo Cadeira de Rodas01

CADEIRA DE RODAS MOTORIZADA COM CONTROLE DIGITAL DE VELOCIDADE E COMANDO POR VOZ EMBARCADO

WALLAS L. FERREIRA, BRUNO L. MATHEUS, VINICIUS M. ALMEIDA Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em eletrônica da Associação Educacional Dom Bosco - AEDB  Estrada Resende Riachuelo, 2535 , Campo de Aviação, CEP27511-971. CEP27511-971 .  Resende, Rio de Janeiro, Brasil.  E-mails: lanchin_@hotmail, bru [email protected], [email protected] m.br, [email protected] 

Abstract – On this article, is represented the development of a system for digital speed

control closed loop, with the departure of a system of voice recognition in a motorized wheelchair. Based on a microprocessor circuit and a joystick that serves as an interface between the User and the chair c hair is made digital speed control of the wheelchair. The use of  IBM Via Voice interface in i n Visual Basic allows to insert the voice command in the chair, applying concepts of embedded electronics. All together, joystick, control circuit, motors and batteries are suitable for a wheelchair wheelchair common (manual), (manual), with the main objective of  developing a system for easy purchase and maintenance, while providing accessibility to people with special needs . Keywords – Speed control, voice recognition, recognition, wheelchair. Resumo - Neste artigo, é apresentado o desenvolvimento de um sistema de controle

digital de velocidade em malha fechada, juntamente com o embarque de um sistema de reconhecimento de voz em uma cadeira de rodas motorizada. Baseado em um circuito microprocessado e um joystick que serve como interface entre o usuário e a cadeira é realizado o controle digital de velocidade da cadeira. A utilização do software IBM Via Voice com interface em Visual Basic possibilita inserir o comando por voz na cadeira, aplicando conceitos de eletrônica embarcada. Todo o conjunto, joystick, circuito de controle, motores e baterias são adaptados a uma cadeira de rodas comum (manual), com o principal objetivo de desenvolver um sistema de fácil aquisição e manutenção, e ao mesmo tempo proporcionar acessibilidade a portadores de necessidades especiais.

     - Controle de velocidade, reconhecimento reconhecimento de d e voz, cadeira de rodas. Palavras-Chave

1 Introdução

O desenvolvimento da cadeira de rodas com controle de velocidade e comandos por voz busca proporcionar o melhor bem estar para o seu usuário, trazendo para este conforto, praticidade e segurança. Foi possível desenvolver um protótipo que tivesse funcionalidade e ao mesmo tempo cubrisse a necessidade real dos utilizadores de cadeiras de rodas, o que inclui controle de velocidade e um desempenho agradável, sem ligeiros baques, e além disso, com torque suficiente para vencer vários obstáculos. O princípio de funcionamento da cadeira de rodas motorizada consiste na transformação de energia elétrica em propulsão mecânica através de dois motores de corrente contínua. A principal necessidade de se utilizar motores de corrente contínua é a fonte de energia disponível, ou seja, baterias. Para o acionamento da cadeira é necessário um sistema capaz de controlar o sentido de rotação e velocidade dos motores. Foi utilizado um circuito robusto e de simples configuração, uma ponte H constituída de contatores e mosfet’s de potência. Desta forma podemos utilizar a tecnologia PWM. Variando a largura dos pulsos de chaveamento dos mosfet’s varia-se a tensão média e a lógica de acionamento dos contatores polariza a tensão no motor, tornando-se ideal quando se deseja controlar a velocidade e o sentido de rotação de motores de corrente contínua. Para a geração do sinal PWM, assim como a leitura dos sinais de referência e feedback utilizamos um microcontrolador. Por simplicidade de circuito, flexibilidade para alterações, facilidade de ajustes e a possibilidade de interação com um sistema de comando por voz, optamos em utilizá-lo. O microcontrolador utilizado é o PIC 18F452 de fabricação da Microchip Technology Inc. O fator determinante para a escolha deste modelo foi a possibilidade de utilização de entradas analógicas, saídas PWM, interrupções externas, assim como a facilidade de programação em linguagem C, mais especificamente o C18. O controle de velocidade da cadeira foi implementado no PIC, utilizando conceitos de controle PID digital, onde o valor de referência é ajustado por um joystick analógico de dois eixos e o feedback de velocidade é obtido através de encoders acoplados as rodas. A cadeira oferece também opção de acionamento por comandos de voz, onde o sistema é baseado no software IBM Via Voice para reconhecimento de voz, utilizando o Visual Basic para interface com o microcontrolador que interpreta os comandos. Foram especificados componentes de uso embarcado como placa mãe, fonte DC/DC e dispositivo de armazenamento em estado sólido (SSD), para o perfeito funcionamento do sistema. 2 Desenvolvimento

2.1 Funcionamento da cadeira de rodas A cadeira de rodas consiste em uma estrutura metálica de uma cadeira de rodas convencional, porém adaptada para funcionar como uma cadeira de rodas motorizada, acionada por dois motores DC. O sistema é controlado pelo usuário através de um joystick analógico ou comando de voz, que são as interfaces com o circuito controlador, sendo este responsável pelo gerenciamento dos motores, que são acoplados as rodas através de redutoras de velocidade. Ainda acoplado ao eixo de cada roda foi adaptado um encoder de forma a gerar o feedback de velocidade real da cadeira para o controlador. O funcionamento do sistema da cadeira pode ser visto graficamente na Figura 1 que mostra o seu diagrama de blocos.

Figura 1 – Diagrama de blocos da cadeira de rodas.

As relações de velocidades entre os motores são responsáveis pelos movimentos da cadeira de rodas, ou seja, para se movimentar em linha reta, seja para Frente ou trás, ambos os motores giram no mesmo sentido e velocidade. Para realizar o movimento de curva, seja ela para a direita ou esquerda, o sentido de giro dos motores é mantido, seja ele frente ou trás. Porém varia-se a velocidade relativa entre os motores. Desta forma proporcionalmente ao posicionamento diagonal do Joystick é decrementada a velocidade do motor do lado a que se faz a curva e incrementada a velocidade do motor do lado oposto à curva. É possível girar a cadeira em um ângulo de 360º no próprio eixo, com o acionamento do Joystick apenas no eixo X, ou seja, perpendicularmente para a direita ou para a esquerda, girando a cadeira respectivamente nestes sentidos. Desta forma de acordo com o posicionamento do Joystick neste eixo pode-se variar a velocidade de giro. O sentido de acionamento dos motores é oposto, um gira a cadeira para frente, outro para trás. Se o usuário escolher o acionamento da cadeira por comandos de voz, é ligado então o sistema de reconhecimento de voz. Este oferece opções d e comandos como Frente, Trás, Direita e Esquerda, fazendo com que a cadeira movimente respectivamente no sentido solicitado. O sistema oferece também a opção de comando Parar a cadeira e Desligar todo sistema de reconhecimento de voz, voltando a ser operada pelo joystick. Para o comando de voz a velocidade é controlada em malha fechada, porém a referência é fixada em 100rpm, para frente e trás, e 50rpm, para direita e esquerda. 2.2 Controle digital de velocidade O controle digital caracteriza-se pelo uso de um computador, ou como neste caso um microcontrolador, específico ou geral, que gera a lei de controle e exerce a função de controlador. Controladores digitais são flexíveis e as funções de controle podem ser facilmente modificadas. Leis de controle mais complexas também podem ser implementadas sem dificuldade. O diagrama do sistema de controle é mostrado na Figura 2.

Figura 2 – Diagrama de blocos do sistema de Controle Digital.

A função de controle é baseada em controle PI (Proporcional e Integral) discreto que foi implementado no algoritmo de programação do microcontrolador. A função PI discreta no tempo é mostrada abaixo.

Onde a parcela proporcional é, A parcela integral é, E o erro é,

A referência de velocidade, r(kT a), é obtida através de potenciômetros acoplados aos eixos X e Y do Joystick, que fornecem níveis de tensão entre 0 e 5V nas entradas do PIC, sendo que de 0 a 2,5V no eixo Y a cadeira é acionada no sentido Trás e 2,5 a 5V para o sentido Frente, funcionando da mesma forma no eixo X para Esquerda e Direita respectivamente. Os níveis de tensão gerados com o acionamento do Joystick através dos eixos X e Y são lidos respectivamente pelas entradas analógicas AN0 e AN1 e digitalizados pelos canais CH0 e CH1do PIC e utilizados nos cálculos do controle. O feedback de velocidade, y(kT a), é obtido dos encoders incrementais acoplados aos eixos das rodas, onde cada encoder gera pulsos que são lidos pelo PIC através de interrupções externas prioritárias nas entradas INT1 e INT2. As interrupções geradas pelos encoders incrementam as variáveis encoder1 e encoder2. Ainda durante a interrupção do Timer 0 é calculada a quantidade de pulsos durante o tempo de amostragem determinando a velocidade. Com isso é determinado o erro de velocidade, calculando a diferença entre o valor de referência e feedback. Baseado no erro do sistema, e(kT a), e no tempo de varredura do programa, T a, são calculados os parâmetros de controle PI. Com o calculo de PI é determinada a variável controle que seta o valor de PWM de 0 a 1023 para valores de velocidade de 0 a 132 rpm, buscando compensar o erro. 2.3 Sistema de Reconhecimento de voz

O sistema de reconhecimento de voz é baseado no software IBM Via Voice em plataforma Windows, e oferece possibilidade de criação de macros, que são ferramentas para interface com o Visual Basic. O que garantiu uma maior flexibilidade de programação para o controle da cadeira de rodas através da porta paralela do computador. Este sistema é suportado por uma placa mãe de baixo consumo Mini ITX, para aplicações embarcadas. O armazenamento dos arquivos de programa é realizado em dispositivo de estado sólido, mais especificamente um SSD (Solid State Disk). Os comandos de voz do usuário são inseridos através do microfone ligado à placa mãe. Este sistema é alimentado pela fonte M2-ATX, que é alimentada com tensão continua e suporta variações de entrada entre 6 e 24VCC, estabilizando as tensões de al imentação da placa. O diagrama esquemático do sistema descrito pode ser visto na figura 3.

Figura 3 – Diagrama esquemático de funcionamento do sistema de reconhecimento de voz.

3 Conclusões

Conforme apresentado anteriormente, foi possível desenvolver um sistema de controle de velocidade para cadeira de rodas que atendesse as expectativas iniciais, baseadas em teorias de controle digital aplicadas em um microcontrolador de baixo custo, reduzindo os custos do equipamento e proporcionando funcionamento seguro e confiável. Os resultados obtidos até aqui garantem o sucesso do projeto e revelam um potencial de crescimento do sistema que não imaginávamos quando começamos os trabalhos. O microcontrolador mostrou-se totalmente eficaz na tarefa de controlador, principalmente por sua simplicidade de programação e fácil interfaceamento com dispositivos periféricos. O circuito de potência utilizado neste projeto nos proporcionou confiabilidade, pois embora seja também de enorme simplicidade correspondeu à altura. O sistema é de baixo custo e de fácil reprodução, pois todos os componentes são de fácil aquisição no mercado, além de fácil implementação a outras tecnologias. Os estudos realizados neste projeto são de fácil implementação em outras aplicações, como por exemplo, no desenvolvimento de veículos automotivos movidos a eletricidade, já que atualmente as tendências por fontes renováveis tem aumentado e assim aumentam também a busca por novas tecnologias. 4 Agradecimentos

Os autores desejam externar seus agradecimentos ao Prof. Msc. Arlei Fonseca Barcelos pela orientação no desenvolvimento deste projeto de Pesquisa e Desenvolvimento do protótipo e aos grupos que nos anos anteriores realizaram pesquisas e experimentos acerca deste assunto, que tanto foram úteis no desenvolvimento deste trabalho.

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