Análise da aplicação de diferentes controladores em robô seguidor de linha para LEGO® MINDSTORMS® EV

Abstract

Este trabalho tem como objetivo principal analisar a complexidade do desenvolvimento de robôs móveis seguidores de linha, mais precisamente a capacidade desses robôs lidarem com a incerteza em seu ambiente, especialmente os erros associados a cada leitura. A seção de Introdução fornece uma visão geral de automação, controle e robótica, destacando momentos, estudos e contribuições essenciais. Nos objetivos, foram destacados os pontos fundamentais para estabelecer um sistema de controle para o robô seguidor de linha autônomo usando o kit LEGO® MINDSTORMS® Ev3. Selecionou-se os principais controladores, incluindo ON/OFF, de 3 Níveis, P, PI, PD e PID, para uma análise detalhada de seu desempenho. Os objetivos específicos envolvem desde a modelagem matemática dos motores e sensores até a implementação, como também avaliação desses controladores em simulações de software, além de hardware. A justificativa destaca a crescente aplicação de robôs autônomos em vários setores, ressaltando a importância deste estudo para uma formação multidisciplinar diante dos desafios da Indústria 4.0. No embasamento teórico, realizou-se uma breve revisão bibliográfica e aprofundamento em conceitos relacionados a robôs seguidores de linha, assim como suas tecnologias. A metodologia descreve as etapas para usar softwares como Matlab e Visual Studio Code, dedicados à simulação virtual e real dos controladores. Em resultados e discussão, desenvolveram-se análises qualitativas e quantitativas para avaliar o desempenho dos controladores em software e hardware. A conclusão baseia-se nos dados obtidos para destacar qual controlador apresentou melhores resultados, abrindo caminho para melhorias futuras na precisão e interação dos robôs com o ambiente. Este trabalho contribui não apenas para a compreensão da engenharia robótica, mas também para áreas como física, matemática e programação, preparando profissionais para os desafios da era da Internet das Coisas.

This work aims to conduct a comprehensive analysis of the challenge in developing mobile line-following robots. The focus is on the ability of these robots to deal with uncertainty in their environment, particularly the errors associated with each reading. The Introduction section provides an overview of automation, control, and robotics, highlighting key moments, studies, and contributions. In the Objectives section, the primary goal is to establish a control system for the autonomous line-following robot built with the LEGO® MINDSTORMS® Ev3 kit. The main controllers, including ON/OFF, 3-Level, P, PI, PD, and PID, were selected for a detailed analysis of their performance. Specific objectives involve mathematical modeling of motors and sensors, as well as the implementation and evaluation of these controllers in software simulations and hardware simulations. The justification emphasizes the growing application of autonomous robots in various sectors, underscoring the importance of this study for multidisciplinary education and preparation for the challenges of Industry 4.0. The Theoretical Framework includes a brief literature review and an in-depth exploration of various concepts related to line-following robots and the employed technologies. The Methodology describes the steps for using software such as Matlab and Visual Studio Code, dedicated to the virtual and real simulation of controller application. In Results and Discussion, qualitative and quantitative analyses were developed to evaluate the performance of controllers in software and hardware. In the Conclusion, the data and information obtained serve as a foundation to highlight which controller yielded better results, paving the way for future improvements in the precision and harmonious interaction of robots with the environment. Therefore, the work not only contributes to the understanding of robotic engineering but also to areas such as physics, mathematics, and programming, offering comprehensive education for professionals facing the challenges of the Internet of Things era.