Medidor de velocidade de impacto (MIC016)

O projeto foi apresentado originalmente pela Freescale (www.freescale.com) em seu Application Note AN1635 foi desenvolvido para medir a velocidade de uma bola de beisebol pelo seu impacto num conjunto de sensores de aceleração. No entanto, pelo que vimos, o projeto pode ser facilmente adaptado para medir a velocidade de uma bola de futebol, que é um esporte que nós preferimos aqui em nosso país, ou mesmo de uma bola de tênis. O aparelho descrito foi exposto pelos seus autores Carlos Miranda e David Heesley da Freescale na Expo Boston 97. Neste artigo, procuraremos destacar os principais aspectos do aparelho cujo texto pode ser acessado no site da empresa.

 

A idéia básica do projeto apresentado pela Freescale é medir a velocidade de uma bola de beisebol num arremesso pela força do seu impacto num anteparo em que são instalados acelerômetros. Os acelerômetros medem o impacto e enviam sinais para um microcontrolador que, processando-os apresenta o resultado final da velocidade num display. O anteparo onde estão instalados os sensores é feito de borracha fixada numa chapa de acrílico. Os sensores são acelerômetros que estão montados na parte traseira do anteparo e ligados através de uma linha de transmissão ao microcontrolador que processa seus sinais. O microcontrolador assim como a eletrônica que fornece os sinais para o display ficam numa caixa montada sobre o conjunto. Na figura 1, do documento original temos o aparelho sendo utilizado. Numa aplicação semelhante com outros tipos de bola, por exemplo, futebol, pode-se imaginar que os sensores estariam montados num painel devendo o jogador chutar a bola contra ele, com o máximo de força possível.

 

David Hesley demonstra o funcionamento do
David Hesley demonstra o funcionamento do "Speedometer" para arremesso de bolas de beisebol.

 

Como os acelerômetros são sensores analógicos vetoriais, onde o sinal consiste na variação de uma tensão proporcional à força impressa num determinado instante, o processamento do sinal não é tão simples. Na figura 2 temos uma amostra do tipo de sinal que é obtido. Nesta figura observamos que existe uma forte oscilação devido tanto à dissipação da energia como também pelas próprias características mecânicas do sistema. Assim, deve ser escolhida uma janela de captura que leve em conta a energia máxima no momento do impacto o que é assinalado no sinal.

 

Sinal fornecido pelo acelerômetro no momento do impacto, observando-se a janela de captura que será processada para se determinar a velocidade da bola.
Sinal fornecido pelo acelerômetro no momento do impacto, observando-se a janela de captura que será processada para se determinar a velocidade da bola.

 

Na determinação da velocidade da bola não é a amplitude máxima do sinal que deve ser considerada, mas sim a integração do sinal, o que leva a área compreendida pelo sinal no trecho indicado no gráfico. Desta forma, o valor computado neste trecho corresponde à variação líquida da velocidade da bola. Como a velocidade final é zero, dada a existência do obstáculo, pode-se então determinar a velocidade inicial da bola, ou a velocidade com que ela atinge o anteparo. Como a variação da velocidade é uma aceleração, o uso de acelerômetros se mostra perfeito para a aplicação. Os leitores que estiverem interessados nos cálculos desenvolvidos pelos criados do projeto podem encontrá-los de forma detalhada no documento original da Freescale. Na prática, para calibração do dispositivo e comprovação dos cálculos utilizados foram utilizados como referência os dados obtidos de um radar.

 

Implementação

Conforme dissemos, a parte mecânica do sistema consiste numa caixa com um anteparo com os sensores. Detalhes da construção mecânica podem variar conforme a aplicação, por exemplo, para uma bola de futebol ou uma bola de tênis. Na parte eletrônica temos como elemento central do circuito o microcontrolador MC68HC11 que recebem os sinais dos acelerômetros. Um conjunto de acelerômetros foi ligado a amplificadores operacionais de modo a enviar os sinais ao microcontrolador que fica a certa distância. Na figura 3 temos o circuito utilizado para esta finalidade. Observe que foram utilizados 4 sensores, ligados a quatro amplificadores operacionais LM311 que foram configurados de modo a fornecer uma função OR. Desta forma, os sinais dos 4 sensores são aplicados em seqüência nas entradas ADC do microcontrolador de modo a serem processados. Esta aplicação é feita através de um clock de alta velocidade para que o intervalo entre as digitalizações seja o menor possível, pois os sinais que devem ser capturados são de muito curta duração. Com isso pode-se conseguir uma representação bastante precisa da forma de onda da aceleração no momento do impacto da bola. Neste circuito temos um filtro RC e um potenciômetro para o ajuste da tensão limiar de referência para o disparo. A tensão de disparo deve ser ajustada para estar o mais próximo quanto seja possível da tensão de offset dos acelerômetros para minimizar o intervalo de tempo entre o impacto e o início da amostragem.

 

Amplificadores operacionais que funcionam como
Amplificadores operacionais que funcionam como "buffers" para os sinais dos sensores.

 

O circuito para o setor do microcontrolador é mostrado na figura 4.

 

Circuito do setor de processamento com o microcontrolador MC68HC11E9 da Freescale.
Circuito do setor de processamento com o microcontrolador MC68HC11E9 da Freescale.

 

O circuito é alimentado por uma fonte comum (conversor AC/DC) de 9 V x 600 mA (pelo menos). Um regulador 7805 reduz a tensão para 5 V para alimentar o circuito, incluindo os drivers para os LEDs que em conjunto exigem uma corrente elevada. Na figura 5 mostramos o regulador e os circuitos de excitação dos LEDs.

 

Circuito regulador de tensão e de excitação para os LEDs indicadores.
Circuito regulador de tensão e de excitação para os LEDs indicadores.

 

Outras Soluções

A solução da Freescale, utilizando um sensor de aceleração (acelerômetro) é muito interessante e de fácil implementação. No entanto, podem ser adotadas outras soluções com outros tipos de sensores. Levando-se em conta que se pode também medir a quantidade de movimento da bola, conhecendo-se sua massa, e a partir dela calcular a velocidade. Neste o anteparo seria utilizado como um diafragma e medido tanto o deslocamento de ar na sua parte posterior com um sensor de pressão ou ainda um sensor hall. Enfim, existem várias outras soluções para o problema de se medir a velocidade de impacto de um objeto.

 

Conclusão

O circuito proposto pela Freescale, se bem que originalmente tenha sido proposto para medir a velocidade de uma bola de beisebol, pode ser modificado para diversas outras aplicações onde a velocidade de impacto de um objeto deva ser medida. Sugerimos outras aplicações esportivas como velocidade de uma bola de tênis ou de futebol num chute, mas existem as aplicações de outros campos como, por exemplo, provas de impacto para medir a resistência de produtos, velocidade de objetos lançados numa explosão ou mesmo a força de arremesso para testes biomédicos e semelhantes. Fica a cargo dos leitores imaginar novos usos para o projeto.

 

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