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.
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.
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):
- O LED emite luz constantemente.
- Enquanto o disco gira, os setores transparentes deixam a luz passar e os setores opacos bloqueiam a luz.
- 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).
- 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 setores transparentes (ou
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
Se o disco tem
Exemplo concreto e prático: se
então
. Na prova, se souberes
, 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
pulsos por volta; contar subidas e descidas dá ; com circuito em quadratura (ver passo seguinte) e contado nas quatro bordas chega-se a “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 e
em quadratura (aproximadamente
de fase entre si). O princípio:
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
- Se
lidera então o disco está girando num sentido (ex.: horário). - Se
lidera 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 (pulsos por segundo) e cada pulso equivale a
, a velocidade angular em rad/s é
Se obténs uma frequência de pulsos
onde
é o número de rotações por segundo. Em unidades mais práticas: velocidade em graus por segundo é
.
Exemplo: se e tens
pulsos/s (contando um pulso por setor) então
rps e
.
Exemplo: se
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
— 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
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 ( ) e, com dois detectores defasados (quadratura), determina-se também o sentido da rotação e aumenta-se a resolução.
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 (