Para o controle de deslocamentos e posições de robôs são acoplados aos seus eixos discos divididos alternadamente em setores opacos e transparentes que, ao girar, permitem a passagem intermitente de luz. Como e chamado este tipo de dispositivo? Explique também o seu funcionamento.

Passo 1

O enunciado pergunta duas coisas: (1) como é chamado o dispositivo formado por um disco com setores alternados opacos/transparentes acoplado a um eixo de robô, que permite passagem intermitente de luz; (2) explique o funcionamento desse dispositivo.
Informações dadas no enunciado que vamos usar: o disco gira junto com o eixo, tem setores alternados (opaco/transparentes) e deixa passar luz de forma intermitente quando gira.

Passo 2

Nome técnico do dispositivo: trata-se de um encoder ótico incremental (também chamado de disco codificador, disco de codificação ou simplesmente encoder rotativo incremental).
Obs.: existem variações (reflectivo, transmissivo) e outro tipo relacionado chamado encoder absoluto — mas pelo enunciado (setores alternados que abrem/fecham passagem de luz) estamos falando do encoder ótico incremental.

Passo 3

Componentes básicos — o que tem nesse sistema e para que serve cada peça (explicação simples, como se eu estivesse te mostrando um módulo na bancada):
  • Fonte de luz: tipicamente um LED infravermelho. Emite um feixe de luz constante que incide sobre o disco.
  • Disco codificador: é uma lâmina circular com setores alternados transparentes e opacos, acoplada ao eixo do robô. Quando o eixo gira, os setores passam entre a fonte de luz e o detector.
  • Detector ótico: fototransistor ou fotodiodo colocado do outro lado (no caso transmissivo) ou junto do LED (no caso refletivo). Detecta se a luz está passando (setor transparente) ou bloqueada (setor opaco) e converte isso em um sinal elétrico digital (nível alto/baixo).
  • Eletrônica de contagem/condicionamento: limpa e condiciona o sinal (filtro, comparação) e conta pulsos ou gera sinais em quadratura para o controlador do robô.

Passo 4

Princípio de funcionamento, passo a passo (tipo receita):
  1. O LED emite luz constantemente.
  2. Enquanto o disco gira, os setores transparentes deixam a luz passar e os setores opacos bloqueiam a luz.
  3. O detector vê essa variação e gera uma onda quadrada: quando há passagem de luz o sinal vai para “1” (alto), quando está bloqueado vai para “0” (baixo).
  4. Cada transição de 0→1 (ou 1→0) corresponde a um pequeno movimento angular do eixo. Contando as transições obtemos deslocamento relativo; medindo a frequência das transições obtemos velocidade.

Passo 5

Como se obtém deslocamento angular a partir dos pulsos (fórmula e interpretação):
Se o disco tem N setores transparentes (ou N pares opaco/transparente que geram um ciclo por par) então cada ciclo corresponde a uma fração da volta. O ângulo correspondente a um pulso (uma divisão) é
\Delta\theta=\frac{360^\circ}{N}.
Exemplo concreto e prático: se N=360 então \Delta\theta=1^\circ. Na prova, se souberes N, usa essa fórmula para transformar contagem de pulsos em graus (ou radianos).

Passo 6

Como aumentam a resolução na prática (truques usados em sistemas reais):
  • Contagem de bordas: contar apenas subidas (rising) dá N pulsos por volta; contar subidas e descidas dá 2N; com circuito em quadratura (ver passo seguinte) e contado nas quatro bordas chega-se a 4N “contagens” por volta. Isso é importante para saber a resolução real do encoder.
  • Portanto, quando o enunciado fala em resolução, pergunta sempre se está falando em pulsos por volta (PPR) ou em contagens por volta (CPR). Na prova, comente isso se necessário.

Passo 7

Detecção de sentido (por que às vezes há dois sensores):
Para saber a direção de rotação usamos dois sensores separados por um deslocamento angular pequeno, de forma que os dois sinais estejam defasados. Essa configuração gera dois sinais digitais chamados canais A e B em quadratura (aproximadamente 90^\circ de fase entre si). O princípio:
  • Se A lidera B então o disco está girando num sentido (ex.: horário).
  • Se B lidera A então gira no sentido oposto.
    Na prática compara-se os estados dos canais quando ocorre uma transição para decidir se incrementa ou decrementa o contador (simples e robusto). Isso permite obter simultaneamente posição relativa e sentido.

Passo 8

Medir velocidade com os sinais do encoder (fórmula simples):
Se obténs uma frequência de pulsos f (pulsos por segundo) e cada pulso equivale a \Delta\theta, a velocidade angular em rad/s é
\omega = 2\pi \cdot f_{\text{rev}},
onde f_{\text{rev}} = f / N é o número de rotações por segundo. Em unidades mais práticas: velocidade em graus por segundo é \dot\theta = 360^\circ\cdot f_{\text{rev}} = 360^\circ\cdot \dfrac{f}{N}.
Exemplo: se N=360 e tens f=3600 pulsos/s (contando um pulso por setor) então f_{\text{rev}}=10 rps e \dot\theta=3600^\circ/\text{s}.

Passo 9

Diferença entre encoder incremental e encoder absoluto (ponto que costuma cair em prova):
  • Encoder incremental (o do enunciado): fornece pulsos relativos; se perder energia perdes a posição absoluta — é preciso referenciar (homing) para saber a posição inicial. Pode ter um canal índice Z — um pulso por volta que ajuda a calibrar.
  • Encoder absoluto: usa vários anéis codificados (código binário ou código Gray) para que cada posição angular tenha um código único; ao ligar, o sistema lê a posição imediata sem homing. Esse não é o caso descrito pelo disco de setores alternados simples.

Passo 10

Cuidados práticos e o que vale ponto na prova (o que escrever se tiver pouco espaço):
  • Dizer o nome correto: “encoder ótico incremental” ou “encoder rotativo incremental”.
  • Explicar que funciona com LED + disco com setores + fotodetector, gerando pulsos que representam movimento.
  • Mencionar rapidamente como obter posição (contar pulsos) e sentido (dois canais em quadratura).
  • Se tiveres espaço, colocar a fórmula \Delta\theta=360^\circ/N e mencionar que contagem de bordas aumenta resolução (2× ou 4×). Isso mostra compreensão completa e costuma valer bastante.

Resposta

Encoder ótico incremental (disco codificador).
Funciona com um LED e um detector ótico separados pelo disco com setores opacos/transparentes: à medida que o disco gira, alternância opaco/transparente gera pulsos elétricos; contando esses pulsos obtém-se deslocamento relativo ( \Delta\theta=360^\circ/N) e, com dois detectores defasados (quadratura), determina-se também o sentido da rotação e aumenta-se a resolução.

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