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Estabilização dinâmica de veículos de duas rodas (MEC131)

Quando pensamos numa bicicleta ou modo, não fica muito difícil perceber que a manutenção do equilíbrio pelo movimento pode ser explicada facilmente. Na verdade, não precisamos de recurso avançado alguma para impedir que as pessoas que usam esses veículos caiam. No entanto, se pensarmos num veículo de duas rodas, colocadas lado a lado, como o Segway, a coisa é bem diferente. Como manter o equilíbrio num veículo desse tipo é um problema que analisamos nesse artigo.

O Segway Human Transporter (HT) ou simplesmente Segway é o primeiro veículo de transporte humano auto-balanceado, ou seja, que mantém o equilíbrio sem a necessidade da intervenção de quem ele transporta.

Analisando esse veículo ficamos impressionados como ele pode equilibrar-se sozinho em duas rodas, e para andar nele basta empurrar para frente ou para traz o comando, que ele se encarrega de mudar o centro de gravidade do conjunto de modo que ele possa se deslocar sem tombar.

Para entender como o Segway funciona, e também outros veículos semelhantes que já começam a aparecer no mercado, devemos partir do modo como nós mesmos que, em lugar de duas rodas temos dois pés, nos equilibramos e locomovemos.

 

Segway
Segway

 

A Estabilização Dinâmica

Lembramos da física do nível médio que, para que um corpo se mantenha em equilíbrio estável, conforme mostra a figura 1, é preciso que a vertical que parta de seu centro de gravidade fique dentro de sua base de sustentação.

 

Equilíbrio de um objeto
Equilíbrio de um objeto

 

Se essa vertical cair fora da base, o corpo tomba, conforme mostra a mesma figura. Para uma pessoa, isso significa que o equilíbrio é obtido quando a vertical de nosso centro de gravidade cai dentro da área abrangida pelos nossos pés, conforme mostra a figura 2.

 

Equilíbrio de uma pessoa.
Equilíbrio de uma pessoa.

 

Partindo agora da situação em que estamos em pé e nos inclinamos ligeiramente para a frente, isso faz com que haja uma tendência de sairmos da situação de equilíbrio. A vertical do centro de gravidade tende a sair fora da área abrangida pelos nossos pés.

Se nada for feito, o movimento de inclinação continua até sair de controle e damos com a cara no chão!

No entanto, nosso corpo tem um sensor que detecta o movimento de inclinação e pode informar o cérebro do que está ocorrendo e ele, com isso, possa mandar comandos para corrigir a situação. O sensor é uma cavidade cheia de líquido e cílios dentro de nosso ouvido interno, conforme mostra a figura 3.

 

Interior do ouvido.
Interior do ouvido.

 

Assim, quando nos inclinamos levemente, o líquido no interior do ouvido interno muda de posição e isso é sentido pelos cílios que enviam ao cérebro uma informação. A reação é um comando que atua sobre os músculos de nossas pernas do corpo, movimentando-as para frente ou alterando a posição, de modo a manter o equilíbrio.

Toda a ação é muito rápida e até mesmo inconsciente (não tomamos conhecimento dela) e com pequenos e imperceptíveis movimentos para frente e para trás o nosso corpo é mantido em equilíbrio quando estamos parados.

Veja que uma certa dose de álcool pode afetar o funcionamento desse sensor e do próprio cérebro que, então terá maior dificuldade em comandar o equilíbrio. Daí o fato bem conhecido de que pessoas alcoolizadas tendem a " balancear" para um lado e outro procurando manter o equilíbrio, o que nem sempre conseguem...

Se você vai caminhar, ao inclinar o corpo para frente, novamente o seu sistema sensor percebe o que está ocorrendo e desta vez, em lugar de movimentar o corpo ou a perna apenas para manter o equilíbrio, ele joga a perna para frente de modo a dar um passo. O movimento deve ser muito bem sincronizado com o sensoriamento de modo que o equilíbrio ao andar seja mantido, pois depende da velocidade, da inclinação do terreno e até do fato da pessoa estar carregando algum peso.

Esse processo que mantém o equilíbrio quando estamos parados e quando andamos é denominado " estabilização dinâmica" é o ponto mais crítico do projeto de um veículo como o Segway.

Somente com a disponibilidade de sensores apropriados e principalmente de processadores capazes de trabalhar em tempo real com os sinais dos sensores é que ele se tornou possível. Isso ocorreu com o advento dos DSPs (Digital Signal Processors) ou processadores digitais de sinais.

Os DSPs podem processar rapidamente os sinais dos sensores e determinar quanto de movimento as rodas devem fazer para frente e para traz de modo a manter o equilíbrio, e isso de uma maneira extremamente rápida, o suficiente para não dar tempo do passageiro cair.

Sensores de posição, velocidade além de outros são usados de uma forma muito bem planejada que dota o veículo das características únicas que ele apresenta.

 

Sensores e Processamento

Na figura 4 temos um diagrama de blocos que representa as funções que encontramos num veículo típico de duas rodas.

 

Diagrama em blocos
Diagrama em blocos

 

O primeiro bloco corresponde aos sensores primários que consiste num conjunto de giroscópios. Os giroscópios são usados amplamente em sistemas de orientação e manutenção de posição como no caso de pilotos automáticos e dispositivos anti-balanço de navios de passageiros.

Um disco que gire rapidamente tende a se manter na orientação, resistindo a qualquer força externa que tenda a mudar sua posição, conforme mostra a figura 5.

 

Princípio de funcionamento do giroscópio.
Princípio de funcionamento do giroscópio.

 

Os giroscópios comuns são formados por pesados discos de metal que giram em rotações extremamente elevadas, chegando a mais de 100 000 rpm em alguns casos.

Para um veículo como o Segway, um giroscópio desse tipo seria inviável, assim, a solução encontrada está no uso de giroscópios de estado sólido. Esses dispositivos de lâminas vibrantes, são semelhantes ao que a natureza emprega nas libélulas, consistindo portanto em uma solução biônica.

Uma lâmina de quartzo que vibre numa freqüência extremamente alta, exatamente como o disco de um giroscópio, tende a resistir a qualquer mudança da orientação dessas vibrações, gerando com isso um sinal que pode ser captado por um circuito externo.

Qualquer mudança de posição desses sensores faz com que surja uma força reativa e ao mesmo tempo um sinal externo, conforme mostra a figura 6.

 

Vibração de uma lâmina
Vibração de uma lâmina

 

Esses sensores são extremamente pequenos, do tamanho de circuitos integrados comuns, e muito sensíveis também, o que facilita bastante seu uso em aplicações como o Segway.

Nos veículos de duas rodas, conjuntos desses sensores são posicionados de modo a detectar mudanças de posição em três eixos, fornecendo sinais complexos para o processador de sinais que então, determina exatamente os movimentos que devem ser efetivados.

No Segway, por exemplo, existem 5 desses sensores, sendo dois usados para dar redundância á informação.

Os sinais desses sensores vão para um sistema de processadores que podem ser microprocessadores ligados em paralelo ou DSPs. Na verdade, a capacidade de processamento exigida para um veículo desse tipo é grande, e os processadores usados se assemelham a diversos PCs ligados em conjuntos.

Também vão para os processadores os sinais de comando que correspondem à empurrar para frente e para trás a haste de comando quando se deseja movimentar o veículo mesmo que sem inclinar o corpo.

Na saída dos processadores existem os circuitos de controle que atuam diretamente sobre os motores que propulsionam o veículo e também fornecem informações adicionais para o operador e outros dispositivos.

Tudo isso deve ser alimentado por uma boa bateria, com capacidade de levar o peso do veículo e do operador a uma boa velocidade. Baterias recarregáveis com um sistema eficiente de carga devem ser usadas.

É claro que o custo de um veículo desse tipo é alto, se bem que no futuro, como qualquer dispositivo de alta tecnologia, a produção em massa o tornará acessível a muitos.

Hoje, apenas em aplicações especiais encontramos os veículos de duas rodas. Por exemplo, algumas cidades já o usam no policiamento de parques e de calçadões. Também podemos vê-los no patrulhamento de shoppings e sistemas de segurança.

O transporte de portadores de pequenas mercadorias em indústrias, grandes escritórios, lojas e shoppings é outra aplicação. Enfim, a capacidade de se obter um equilíbrio dinâmico de um veículo desse tipo, usando apenas duas rodas, torna-o uma solução bastante interessante para o transporte individual a qual, certamente deve ser adotada de maneira intensa no futuro.

 

Pessoas utilizando o Segway.
Pessoas utilizando o Segway.

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