Aprendizado de
Robótica utilizando Python
(com Kit de Robótica)

Conteúdo teórico

• Introdução à Programação Orientada a Objetos (POO) em Python
  • Conceitos: classes, objetos, herança, encapsulamento
• Estrutura básica de programas Python
  • Variáveis, tipos de dados e operadores
  • Estruturas de controle (if/else, loops)
  • Funções e bibliotecas
• Visão geral da Robótica Móvel
  • Componentes essenciais de um robô (eletrônica, mecânica, computacional)
  • Entrada/Saída (E/S) em sistemas robóticos
  • Arquitetura de um robô móvel
• Plataforma Raspberry Pi Pico
  • Especificações técnicas e capacidades
  • Pinagem e protocolos de comunicação (GPIO, I2C, SPI, UART)
  • Integração com sensores e atuadores
• Instalação e configuração do ambiente de desenvolvimento
• Apresentação do Kit Robótico
  • Estrutura mecânica
  • Componentes eletrônicos (motores, sensores, processador)
  • Características do chassis e sistema de propulsão

Atividades práticas

• Instalação e configuração do Python 3 e IDE (Thonny ou VS Code)
• Instalação de bibliotecas necessárias (RPi.GPIO, machine, etc.)
• Montagem do Kit Robótico (em grupos de 3 alunos)
  • Assembling do chassis
  • Integração dos motores ao sistema de transmissão
  • Instalação do Raspberry Pi Pico
  • Conexão de componentes eletrônicos
• Programação Básica em Python
  • Primeiro programa "Hello World"
  • Manipulação de GPIO
  • Leitura de valores digitais e analógicos

Avaliação e entregáveis

• Relatório Prático (entrega dois dias antes da Aula 02)
  • Descrição do processo de montagem
  • Diagrama de conexões do kit
  • Código fonte comentado dos programas desenvolvidos
  • Dificuldades encontradas e soluções aplicadas
  • Conclusões e reflexões
• Lista de Exercícios de POO em Python
  • 5 exercícios de programação com complexidade crescente
  • Implementação de classes e objetos
  • Manipulação de coleções de dados

Duração das atividades: 4 horas, realizadas em casa após a aula.

Conteúdo teórico

• Sensores em Robótica
  • Sensor ultrassônico (sonar): funcionamento, calibração e leitura
  • Sensores de odometria (encoders): medição de velocidade e posição
  • Sensor de luz ambiente (LDR)
  • Sensores infravermelhos para detecção de obstáculos
• Atuadores Robóticos
  • Motores DC: características, controle PWM (Pulse Width Modulation)
  • Redutores de velocidade: relação de transmissão
  • LEDs como indicadores de estado
  • Estrutura de acionamento e drivers de motor
• Biblioteca Raspberry Pi em Python
  • Módulo machine e RPi.GPIO
  • Funções de leitura e escrita de GPIO
  • Controle PWM em Python
  • Comunicação I2C e SPI
• Protocolos de Comunicação
  • UART para debug e comunicação serial
  • Configuração e teste de comunicação

Atividades práticas

• Acionamento de LEDs do robô
  • Programa para controle de múltiplos LEDs
  • Padrões de piscagem e indicadores visuais
• Leitura de Sensores de Odometria
  • Calibração do encoder
  • Programa para cálculo de velocidade linear
  • Validação de medições
• Leitura do Sensor Ultrassônico (Sonar)
  • Programa de detecção de distância
  • Calibração de valores
  • Tratamento de leituras inválidas
• Controle de Motores com PWM
  • Programa de acionamento progressivo das rodas
  • Teste de velocidades variáveis
  • Validação de respostas dos motores
• Teste Integrado de E/S
  • Programa que integra leitura de sensores e acionamento de motores
  • Movimento básico do robô (frente, trás, parado)

Avaliação e entregáveis

• Relatório Técnico (entrega antes da Aula 03)
  • Descrição dos sensores utilizados e seus parâmetros
  • Descrição dos atuadores e sua calibração
  • Código fonte comentado de todos os programas
  • Tabelas de calibração (sensores e motores)
  • Gráficos de desempenho
  • Dificuldades e soluções
  • Análise crítica dos resultados
• Código Fonte Entregável (entrega antes da Aula 03)
  • sensores.py — funções de leitura de sensores
  • atuadores.py — funções de controle de motores
  • teste_E_S.py — programa integrado de teste

Duração das atividades: 4 horas, realizadas em casa após a aula.

Conteúdo teórico

• Conceitos Fundamentais de Controle
  • Feedback (realimentação) em sistemas robóticos
  • Erro de controle e ajuste de resposta
  • Estabilidade e resposta transitória
• Estudo de reguladores clássicos
  • Regulador Proporcional (P): ganho e resposta linear
  • Regulador Integral (I): eliminação de erro em regime permanente
  • Regulador Derivativo (D): amortecimento e redução de overshoot
  • Regulador PID (Proporcional-Integral-Derivativo): integração completa
• Perfil de Velocidade
  • Aceleração e desaceleração suave
  • Velocidade máxima e mínima
  • Rampa de velocidade
• Trajetória do Robô
  • Conceito de trajetória no espaço 2D
  • Velocidade linear e angular
  • Estimativa de posição (odometria)
• Calibração de Sensores e Motores
  • Ajuste fino de ganhos
  • Sincronização de velocidades das rodas
  • Validação experimental

Atividades práticas

• Implementação de Controlador Proporcional (P)
  • Código para leitura de sensores em tempo real
  • Cálculo de erro
  • Ajuste de velocidade dos motores baseado em erro
• Implementação de Controlador PID
  • Estrutura de classe para controlador PID
  • Teste com diferentes valores de ganho (Kp, Ki, Kd)
  • Otimização de parâmetros através de metodologia sistemática
• Geração de Perfil de Velocidade
  • Implementação de um programa para acelerar/desacelerar suavemente
  • Teste com várias configurações
• Movimento Reto com Correção
  • Movimento do robô em linha reta mantendo velocidade constante
  • Sensor ultrassônico para evitar colisão a um obstáculo
  • Ajuste automático de trajetória
• Calibração Prática
  • Medição de velocidades reais
  • Tabela de PWM vs velocidade linear
  • Ajuste fino de sincronização entre rodas

Avaliação e entregáveis

• Relatório Técnico (entrega antes da Aula 04)
  • Explicação teórica dos reguladores implementados
  • Código comentado do controlador PID
  • Gráficos de resposta do sistema (erro vs tempo)
  • Tabelas de calibração com ganhos utilizados
  • Análise de estabilidade
  • Comparação entre controladores P, PI, PD e PID
  • Dificuldades encontradas e soluções
• Código Fonte Entregável
  • controlador_PID.py — classe implementando PID
  • movimento_reto.py — programa de movimento retilíneo
  • perfil_velocidade.py — geração de perfil de velocidade
  • calibracao_motores.py — programa de teste e calibração

Duração das atividades: 4 horas, realizadas em casa após a aula.

Conteúdo teórico

• Modelagem Matemática de Robôs Móveis
  • Modelo cinemático de robôs diferenciais
  • Posição absoluta (x, y, θ)
  • Velocidades linear e angular
• Cinemática Direta
  • Cálculo de posição a partir de velocidades
  • Integração numérica de trajetória
  • Estimativa de odometria
• Cinemática Inversa
  • Cálculo de velocidades necessárias para atingir uma trajetória desejada
  • Resolução de equações cinemáticas
• Implementação de Trajetórias
  • Trajetória retilínea (reta)
  • Trajetória poligonal (triângulo, quadrado)
  • Trajetória curvilínea (arco, círculo)
  • Composição de trajetórias
• Detecção e Desvio de Obstáculos
  • Algoritmo de seguidor de parede
  • Algoritmo de bug (Bug0, Bug1, Bug2)
  • Integração com controlador PID
• Interface Homem-Máquina (IHM) em Python
  • Biblioteca Tkinter para GUI
  • Comunicação com robô via serial/USB
  • Visualização gráfica de trajetória em tempo real
  • Controle manual vs automático
• Análise de Performance e Estatística
  • Desvio padrão de trajetória
  • Erro máximo e mínimo
  • Tempo de execução e eficiência energética

Atividades práticas

• Implementação de Movimento em Triângulo
  • Cálculo de ângulos e distâncias
  • Programa de geração de trajetória
  • Teste prático e medição de erro de fechamento
• Implementação de Movimento em Quadrado
  • Extensão do programa anterior
  • Validação de ângulos retos
  • Análise de repetibilidade
• Implementação de Movimento Circular
  • Cálculo de raio e velocidade angular
  • Controlador de trajetória curvilínea
  • Validação experimental
• Desenvolvimento de IHM em Python
  • Interface gráfica para seleção de trajetória
  • Visualização gráfica do plano 2D
  • Traçado da trajetória em tempo real
  • Painel de controle com botões de movimento
• Detecção e Desvio de Obstáculos
  • Implementação de algoritmo de desvio simples
  • Integração com controlador PID
  • Teste em ambiente com obstáculos
• Análise de Performance
  • Coleta de dados de trajetória
  • Cálculo de estatísticas (média, desvio padrão, erro máximo)
  • Geração de gráficos de análise
• Proposta do CHALLENGE Final
  • Apresentação do projeto cooperativo
  • Definição de categorias
  • Formação de equipes (mantendo grupos de 3)

Avaliação e entregáveis

• Relatório Final do Módulo 1 (entrega antes da Aula de CHALLENGE)
  • Fundamentação matemática das trajetórias
  • Código comentado de todos os programas
  • Diagramas e representações visuais
  • Dados experimentais com gráficos de análise
  • Comparação de trajetória teórica vs realizada
  • Discussão de erros e suas causas
  • Descrição da IHM desenvolvida
  • Reflexão sobre o processo de aprendizagem
• Código Fonte Entregável
  • cinematica.py — funções de cálculo cinemático
  • trajetorias.py — geração de trajetórias
  • desvio_obstaculos.py — algoritmo de desvio
  • interface_grafica.py — IHM em Python-Tkinter
  • analise_performance.py — cálculo de estatísticas
  • main_robo.py — programa integrado principal

Duração das atividades: 4 horas, realizadas em casa após a aula.

Objetivo e descrição

• Aplicar de forma integrada todos os conhecimentos adquiridos no Módulo 1 em um projeto cooperativo que combine criatividade, engenharia e programação.
• Competição prática onde equipes (grupos de 3 alunos) devem programar seu robô para realizar tarefas complexas que integram:
  • Controle de movimentos (PID)
  • Leitura de sensores
  • Geração de trajetórias
  • Desvio de obstáculos
  • Interação com o ambiente

Dinâmica da competição

• Fase 1 (1h): preparação final — testes e ajustes
• Fase 2 (2h): execução das competições (rodadas com todos os grupos)
• Fase 3 (1h): apresentação de resultados, premiação e discussão

Entregáveis

• Código-fonte completo e documentado
• Relatório técnico descrevendo a solução
• Vídeo da execução (opcional, para análise posterior)
• Apresentação oral de até 5 minutos