Um Sistema de Controle e Monitoração em Tempo Real para Instrução de Conceitos Matemáticos
Alex Sandro Gomes
Departamento de Eletrônica e Sistemas, Universidade Federal de Pernambuco
Brasil







Descrição do sistema

O presente sistema simula, em escala reduzida, um fenômeno bastante conhecido pelos estudantes: o movimento de um carro. Esta simulação realizada através do controle da posição e da velocidade de um auto-modelo teleguiado de brinquedo. A vinculação do fenômenos representações graficas á mediada pela monitoração desse movimento através de uma técnica de medida de distância e direção relativas do auto-modelo que utiliza a emissčo e recepção de sinais de infravermelho e ultra-som.

O controle dos movimentos do auto-modelo o feito utilizando-se sinais eletrónicos enviados por ondas de radio, de forma idźntica aquela utilizada em um sistema de radio controle comercial.

A realização das medidas segue uma metafora conhecida: a de um radar aeronautico, representado por uma pequena torre giratória onde ficam instalados os transdutores de emissčo e recepção de sinais de infravermelho e ultra-som, respectivamente.

1. Estruturas mecânica e eletrónica do sistema

O sistema é composto por duas estruturas físicas independentes. Na primeira delas, uma pequena torre giratoria, são montados os circuitos de transmissčo de radio frequencia e os circuitos necessarios realização das medidas de distancia e direção relativas, entre um auto--modelo e a torre. Sua aparência se aproxima a uma torre de radar real. Na parte superior da torre, ficam montados os transdutores de infravermelho e ultra-som. Esta parte permanece girando continuamente.

Para permitir a determinação da direção relativa do auto-modelo, este objeto possui uma marca, em sua parte superior, que é reconhecida pelo hardware como sendo o angulo 0¡ de referência da medida direção. Dessa forma, a qualquer instante, o sistema pode saber a que angulo encontra-se a parte superior da torre.

A segunda parte do sistema, um auto-modelo em escala reduzida, cuja função é servir como o objeto movel. Seus movimentos sčo monitorados e usados na construção de graficos de Distancia x Tempo, Velocidade x Tempo ou Aceleração x Tempo. A principal caracter'stica desse auto-modelo é a sua limitada velocidade maxima. Seus deslocamentos sčo lentos para permitir que os estudantes possam acompanha-los, enquanto observam a construção dos graficos. A seguir serčo descritos os sistema funcionais eletronicos.

Do ponto de vista funcional, o sistema é dividido em três partes. A primeira, uma interface paralela, que tem como objetivo servir como porta de sa'da e entrada entre os circuitos de controle/medida e um computador digital. A segunda parte funcional do sistema é responsavel pelas medidas de distancia e direção relativas entre o auto-modelo e o objecto torre.

A terceira parte do sistema controla a velocidade e direção a serem tomadas pelo pequeno m-vel. Seus circuitos sčo montados a bordo do auto-modelo e, através de sucessivas medidas, o sistema controla sua rota e velocidade, de acordo com informaćões recebidas do computador.

Com relação a comunicação dos comandos de movimento, a emissčo dos pulsos de controle é feita por um radio AM montado no interior do objeto torre e a recepção desse sinal é feita por meio de um outro radio AM, montado no interior do pequeno m-vel. Desta forma, ha uma maior versatilidade de movimentos para o auto-modelo.

O processo completo de controle e monitoração ocorre da seguinte maneira: (1) o software de controle informa a velocidade e a posição das rodas dianteiras do auto-modelo; (2) o sistema envia, através do radio, a combinação de pulsos necessaria a movimentação do auto-modelo; (3) paralelamente, o circuito da torre emite um pulso de infravermelho na direção do auto-modelo; (4) os circuitos a bordo do auto-modelo respondem ao pulso de infravermelho com um pulso de ultra-som; (5) um circuito de recepção de ultra-som, montado na torre, recebe o sinal e informa ao computador o tempo decorrido entre a emissčo do pulso de infravermelho e a recepção do pulso de ultra-som; (6) o computador entčo calcula a distancia entre a torre e o auto-modelo, e finalmente (7) este valor é utilizado para desenhar as representação grafica na interface do sistema, ou ainda, pode o sistema transformar a medidas em uma grandeza derivada, como por exemplo velocidade ou aceleração, antes de mostrar as informaćões na tela.

O software também é dividido em blocos que serčo descritos a seguir.

2. Software

O software do sistema possui duas parte distintas: a interface de controle e a interface de monitoração. Na primeira, sčo criadas e executadas listas contendo comandos para o controle da movimentação, enquanto na segunda parte, ocorre o controle, através da realização de medidas sucessivas de distancia e direção. A comunicação dos resultados das medidas é feita através de tabelas e graficos e ocorre em uma parte da interface do software monitor. A seguir, os dois blocos serčo descritos.

2.1 Parte I - Controle

O programa de controle utilizado no sistema consiste-se de uma pequena linguagem de programação interpretada, cujos comando sčo usados para programar os movimentos do auto--modelo. O usuario pode programar previamente um movimento, em termos das direćões a serem tomadas e das velocidades a serem desenvolvidas.

A programação dos movimentos ocorre em uma janela da interface, na forma de lista, e os comandos sčo executados em ordem.

Cada uma das linhas possui duas colunas: a primeira serve para numerar as instrućões, e na segunda sčo digitados os comandos. Cada comando é associado a um s'mbolo e este pode ser usado na janela grafica para vincular os momentos de aplicação dos comandos de uma lista a pontos de variação incomum de um grafico correspondente. Cada um dos comandos tem um efeito peculiar na forma como o grafico é constru'do, a partir do momento de sua execução, por exemplo: quando ocorre uma mudanća de velocidade, a inclinação do grafico Distancia x Tempo é alterada. A Tabela II traz um exemplo de um pequeno programa, escrito na linguagem do sistema.

O sistema pode ainda associar sons diversos a cada um dos comandos de um programa, desta forma, permitindo que o estudante observe o carro, enquanto acompanha a execução da sequência de comandos.
 
 

Tabela II - Exemplo de um programa





O efeito da sequência final produzido por uma sequência de comandos é um movimento, que ao ser monitorado pelo sistema, pode ser representado em uma segunda parte da interface, em forma de um grafico.

2.2. Parte II - Monitoração

O software de monitoração controla a realização das medidas, em tempo real, da posição e da velocidade do auto-modelo e mostra, em uma janela a parte, graficos que representem aspectos de um movimento executado pelo mesmo. Enquanto o movimento é executado, o sistema de medida informa ao computador os dados de velocidade e de posição do carro de brinquedo, e esse, por sua vez, constr-i a representação grafica do movimento.

A construção de representações, feita em tempo real, tem como objetivo cria uma situação onde detalhes de um graficos possam ser melhor interpretados, devido a sincronia entre a mudanças que ocorrem com o movimento e mudanças no comportamento da representação.

Ha um vínculo dinamico entre o software de controle e o software de monitoração do sistema. Os símbolos que sčo colocados do lado esquerdo na tabela da sequência do movimento (Tabela II), pode ser usado na escala horizontal de graficos de Distancia x Tempo, Velocidade x Tempo, para destacar o momento quando o comando comeća a ser executado. O sistema permite que o estudante altere o s'mbolo em qualquer uma das partes da interface (controle ou monitoração), sendo o outro deles alterado, automaticamente, ao mesmo tempo.

As caracter'sticas do hardware e do software deste sistema, possibilitam a implementação de atividades ricas em tipos de representações de um fen(tm)meno. Isto permite que sejam descritas atividades com o sistema, que tratem de conceitos variados como: função, taxa de variação e da noção de graficos cartesianos.