DESENVOLVIMENTO DE UM CARRO ROBÔ CONTROLADO POR ARDUINO COMO RECURSO DIDÁTICO DE BAIXO CUSTO PARA O ENSINO DE CONCEITOS DE VELOCIDADE

## DESENVOLVIMENTO DE UM CARRO ROBÔ CONTROLADO POR ARDUINO COMO RECURSO DIDÁTICO DE BAIXO CUSTO PARA O ENSINO DE CONCEITOS DE VELOCIDADE

Raimundo Alves Bezerra , Luis Davi da Silva Medeiros 1 2 , Antônio Marques Santos 3 , Erlania Lima de Oliveira 4 , Rafael Castelo Guedes Martins 5 .

- 1 Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Mossoró-RN, e-mail: raialvesbezerra@hotmail.com
- 2 Univ. Federal Rural do Semi-Árido, Mossoró-RN, e-mail: luis.medeiros63956@alunos.ufersa.edu.br
- 3 Instituto Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, e-mail: antonio.marques@ifrn.edu.br
- 4 Universidade Federal Rural do Semiárido, Mossoró-RN, e-mail: erlania@ufersa.edu.br
- 5 Universidade Federal Rural do Semiárido, Mossoró-RN, e-mail: rcastelo@ufersa.edu.br

## Resumo

A velocidade é um conceito fundamental na Física e seu entendimento permite uma melhor compreensão de vários conceitos Físicos. A profundidade no estudo da velocidade não só aprimora a compreensão teórica das relações entre diferentes grandezas físicas, mas também facilita a aplicação prática desses princípios em contextos do mundo real. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um carro robô controlado pela plataforma Arduino®, proposto como um recurso didático de baixo custo para o ensino velocidade. O trabalho aborda a construção e programação de um carro robô, integrado com sensores para medir velocidade(ms), proporcionando aos estudantes uma ferramenta prática para compreender conceitos como velocidade, aceleração, força e momento linear. Além de explorar conceitos técnicos, o uso de dados coletados será utilizado para demonstrar na prática a importâncias de tais conceitos físicos na prevenção de acidentes de trânsito.

Palavras-chave : Arduino®, baixo custo, carro robô.

## 1. Introdução

A velocidade de um veículo é uma grandeza vetorial e seu módulo resulta da relação entre a mudança ou incremento da posição do veículo conforme passa o tempo, com respeito a um ponto de referência fixo (inercial).

Nesse contexto de Ensino de Física, a velocidade é frequentemente abordada como uma ferramenta didática para conectar a Física com situações reais e cotidianas, especialmente aquelas ligadas à segurança no trânsito. Esse enfoque ajuda os alunos a compreenderem como conceitos físicos se aplicam a questões práticas, como a velocidade segura, os riscos associados ao excesso de velocidade e a relação entre a velocidade do veículo e a distância da frenagem. Esses tópicos ajudam a construir uma compreensão prática e responsável sobre o impacto da velocidade nas vias públicas.

Logo, compreender o conceito de velocidade é essencial para a compreensão de outros conceitos físicos, como aceleração, força, momento linear e energia, além de vários problemas práticos do nosso dia a dia. A capacidade de aplicar o conceito de velocidade permite ao estudante uma melhor compreensão das leis da Física e facilita a aplicação desses princípios em situações reais, desde o funcionamento de veículos

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até a análise de movimentos em atividades diárias. Compreender, por exemplo, como a velocidade afeta a distância de parada do veículo, o tempo de reação, a estabilidade do veículo e a conformidade com as leis de trânsito é fundamental para a formação de condutores responsáveis e conscientes. Isso não só reduz o risco de acidentes, mas fornece ferramentas e criar condições para o estudante estabelecer relações dos conteúdos estudados em sala de aula com suas vivências e experiências do cotidiano, propiciando uma aprendizagem mais dinâmica e motivadora, onde o aluno é protagonista do seu aprendizado. Para Matos (2013) estas relações podem ser produzidas através das interações entre professores e alunos no contexto de uma situação real, onde visão de mundo de cada sujeito transforma diferentes modos de olhar o universo.

De acordo com Ferreira (2014), conectar a física a questões cotidianas, como o trânsito, torna o aprendizado mais relevante e significativo, além de contribuir para a formação de cidadãos mais conscientes e prudentes, reduzindo acidentes e promovendo a segurança. Vizzotto (2014) reforça essa ideia ao afirmar que a aplicação dos conceitos físicos ao cotidiano aumenta a probabilidade de os estudantes compreenderem esses conceitos. Além disso, Vizzotto destaca o papel social da escola na formação e conscientização dos jovens, ressaltando que a escola é uma parte essencial do processo de desenvolvimento do indivíduo na sociedade. A educação, além de fornecer conhecimento técnico, deve ensinar aos estudantes sobre as responsabilidades e normas de convivência no trânsito, incluindo a importância de respeitar as leis e o papel do motorista na prevenção de acidentes acidentes, e a consciência dos direitos e deveres de todos os usuários das vias públicas.

Neste sentido, propomos o desenvolvimento de um carro robô, baseado na plataforma Arduino® como uma ferramenta pedagógica acessível e versátil. O carro robô utiliza sensores para medir velocidade, oferecendo uma abordagem prática para o estudo de conceitos fundamentais da física de forma dinâmica e envolvente. Além de explorar conceitos técnicos, o uso de dados coletados será utilizado para demonstrar na prática como a compreensão do conceito de velocidade pode diminuir significativamente o número de acidentes e a gravidade das colisões, pois o entendimento de como a velocidade afeta a estabilidade do veículo é fundamental para formação de condutores capazes de manter o controle do carro durante mudanças de faixa, curvas, superfícies escorregadias e condições meteorológicas adversas, promove uma condução mais segura.

Além disso, a metodologia de ensino baseada na plataforma Arduino® se alinha com a concepção de aprendizagem como construção de conhecimento de Vygotsky (1991). Este defende que o desenvolvimento humano se dá pelas trocas de experiências, interagindo com o meio social em que vive. Para ele o processo de aprendizagem ocorre quando o aluno utiliza o que ele já sabe como ponte para construção de um novo saber sob a orientação de um adulto ou em colaboração com companheiros mais capazes, saindo de sua Zona de Desenvolvimento Real (ZDR) para Zona de Desenvolvimento Potencial (ZDP).

A proposta de utilizar um carro robô controlado com Arduino® como recurso didático busca, portanto, desenvolver e avaliar a eficácia desse recurso didático, oferecendo aos educadores uma ferramenta inovadora para o ensino de velocidade, alinhada com as necessidades contemporâneas de sustentabilidade e inovação tecnológica.

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## 2. Metodologia

Este trabalho emprega uma abordagem experimental e aplicada, visando ao desenvolvimento e à implementação de um protótipo de carro robô controlado por Arduino®, destinado ao ensino de conceitos fundamentais de física, como velocidade, aceleração, força e momento linear. A metodologia está estruturada em etapas sequenciais que incluem revisão bibliográfica, planejamento do projeto, seleção e justificativa dos componentes, construção do protótipo, programação, testes e validação, além de análise dos resultados obtidos.

## 2.1 Revisão Bibliográfica e Fundamentação Teórica

Inicialmente, realizou-se uma revisão bibliográfica aprofundada sobre o uso de plataformas de prototipagem com microcontroladores no ensino de física, com ênfase na aplicação do Arduino® em projetos educacionais de baixo custo. Foram consultadas fontes como Ferreira e Gonçalves (2014), que destacam a importância de conectar conceitos físicos ao cotidiano dos alunos, e estudos sobre prototipagem com Arduino® e robótica educacional. Essa etapa fundamentou teoricamente o projeto e orientou a seleção dos componentes e técnicas empregadas.

## 2.2 Planejamento e Definição dos Objetivos Específicos

Com base na revisão bibliográfica, estabeleceu-se como objetivo principal desenvolver um sistema robótico composto por dois carrinhos controlados por Arduino®, capazes de simular e detectar colisões. Os objetivos específicos incluem:

- ∞ Projetar e construir os carrinhos robôs com sensores para medir velocidade e detectar impactos.
- ∞ Programar os microcontroladores Arduino® para controlar a movimentação e a interrupção automática após a colisão.
- ∞ Testar e validar o sistema em ambiente controlado, analisando seu desempenho e eficácia como ferramenta didática .

## 2.3 Seleção e Justificativa dos Componentes

Os componentes foram selecionados com base na funcionalidade, disponibilidade e custo-benefício, conforme detalhado a seguir:

- ∞ Arduino Nano: Microcontrolador responsável por processar os sinais dos sensores e controlar os relés.
- ∞ Motores e Chassis: Integrados nos carrinhos de controle remoto, responsáveis pela movimentação.
- ∞ Módulo Relé 5V: Utilizado para desligar a alimentação dos motores após a detecção da colisão.
- ∞ Sensores Piezoelétricos: Detectam a colisão através da variação de pressão gerada no impacto.
- ∞ Baterias de 3,5V: Alimentam o sistema, incluindo o Arduino® e os módulos relés.

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- ∞ Placas de Controle: Presentes nos carrinhos, controlam os motores de acordo com o comando recebido do Arduino.
- ∞ Controle Mestre: Aciona os dois carrinhos simultaneamente.
- ∞ Resistores e Fios: Melhoram a precisão dos sensores piezoelétricos e interligam os componentes.

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## 2.4 Construção do protótipo

A construção do protótipo seguiu as etapas abaixo, garantindo a replicabilidade do experimento:

## 2.4.1 Montagem Mecânica

- ∞ Desmontagem parcial dos carrinhos de controle remoto para acesso às placas de controle e motores.
- ∞ Fixação dos sensores piezoelétricos na parte frontal de cada carrinho, utilizando suportes ou adesivos apropriados para assegurar o contato direto com a área de impacto.
- ∞ Reforço estrutural do chassi, se necessário, para suportar os componentes adicionais e evitar danos durante os testes.

## 2.4.2 Circuito Elétrico e Conexões

- ∞ Conexão dos sensores piezoelétricos aos pinos analógicos do Arduino Nano, utilizando resistores de pull-down para estabilizar as leituras e minimizar ruídos.
- ∞ Ligação dos módulos relé aos pinos digitais do Arduino®, permitindo o controle da alimentação dos motores.
- ∞ Integração das baterias ao sistema, assegurando a alimentação adequada do microcontrolador e dos componentes auxiliares.
- ∞ Verificação das conexões e isolamento elétrico para prevenir curto-circuitos ou interferências.

## 2.5 Programação e Desenvolvimento de Software

A programação do Arduino Nano foi realizada na plataforma Arduino IDE, seguindo os passos:

Leitura dos Sensores: Implementação de código para ler os valores analógicos dos sensores piezoelétricos, aplicando filtros digitais para eliminar ruídos e evitar falsos positivos.

Detecção de Colisão: Estabelecimento de um limiar de tensão para identificar impactos significativos. Testes preliminares foram conduzidos para calibrar esse valor, considerando a sensibilidade dos sensores.

Controle dos Motores: Programação das rotinas para acionar os módulos relé, permitindo a interrupção imediata dos motores ao detectar uma colisão.

Sincronização dos Carrinhos: Desenvolvimento de lógica para iniciar simultaneamente a movimentação dos dois carrinhos, utilizando um sinal do controle mestre ou temporizadores sincronizados.

Segurança e Reinicialização: Implementação de funções para restabelecer o sistema após cada teste, garantindo que os carrinhos possam ser reiniciados de forma segura.

## 2.6 Testes e Validação do Sistema

Os testes foram conduzidos em ambiente controlado, seguindo protocolos para assegurar a confiabilidade dos resultados:

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Calibração dos Sensores : Realizaram-se testes de impacto controlado para ajustar o limiar de detecção nos sensores piezoelétricos, garantindo sensibilidade adequada.

Verificação do Desligamento Automático : Testes repetidos de colisão foram executados para confirmar que os módulos relé interrompem a alimentação dos motores imediatamente após o impacto.

Análise de Repetibilidade : Avaliou-se a consistência do sistema em múltiplas execuções, verificando se os resultados eram reproduzíveis.

Segurança Operacional : Observou-se o comportamento do sistema para identificar potenciais riscos ou falhas, implementando medidas corretivas quando necessário.

## 2.7 Análise dos Dados e Interpretação dos Resultados

Eficiência da Detecção: Calculou-se a taxa de sucesso na detecção de colisões e no desligamento dos motores.

Tempo de Resposta: Mediu-se o tempo entre a colisão e a interrupção dos motores, avaliando a rapidez do sistema.

Potenciais Melhoria: Identificaram-se limitações, como sensibilidade excessiva ou insuficiente dos sensores, propondo ajustes e otimizações.

## 2.8 Limitações e Desafios

Durante o desenvolvimento, enfrentaram-se desafios como:

Ruído nos Sensores: Interferências eletromagnéticas afetaram as leituras dos sensores, exigindo a implementação de filtros e blindagem adicional.

Sincronização Precisa: As dificuldades em iniciar, simultaneamente, os carrinhos foram superadas com ajustes no código e utilização de sinais de controle mais confiáveis.

Autonomia das Baterias: A duração limitada das baterias exigiu planejamento cuidadoso dos testes e considerações sobre a eficiência energética do sistema.

## 2.9 Esquema do Protótipo

- O esquema sequencial do protótipo, ilustrado na Figura 1, mostra a montagem e a integração dos componentes do sistema. Este esquema representa a configuração de um dos carrinhos; vale lembrar que o sistema é composto por dois protótipos idênticos, cada um com uma configuração semelhante.

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Figura 1: Esquema sequencial do protótipo

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## 3. Considerações Finais

A proposta de integrar a física ao cotidiano dos alunos, utilizando um carro robô baseado na plataforma Arduino®, oferece uma abordagem inovadora e prática para o ensino de conceitos fundamentais como a velocidade, força, momento e energia. Essa ferramenta pedagógica não só facilita a compreensão dos conceitos, mas também conecta o aprendizado à realidade dos alunos, promovendo uma educação mais dinâmica e motivadora.

Além disso, a metodologia proposta está em sintonia com a teoria de Vygotsky sobre a construção do conhecimento, destacando a importância da interação social e do aprendizado colaborativo. O desenvolvimento e a avaliação do carro robô como ferramenta didática não só aprimoram o ensino de conceitos físicos, mas também desempenham um papel social significativo na redução de acidentes e na diminuição da gravidade das colisões. Compreender como a velocidade afeta a estabilidade do veículo é crucial para a formação de condutores que consigam manter o controle do carro durante mudanças de faixa, curvas e em superfícies escorregadias.

## Referências

Ferreira, A. D., Gonçalves, F. L. Ensino de Física e Educação para o Trânsito: uma proposta interdisciplinar para o ensino médio. Revista Brasileira de Ensino de Física, 36(4), 4311. 2014

Matos, R. I., Lenir, B. Z., N. Física Diversificação de estratégias de ensino de ciências na reconstrução dialógica da ação/reflexão docente. Revista Ensaio, v. 15, n. 03: p. 163-179, set-dez. 2013.

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VIZZOTTO, P. A.; MACKEDANZ, L. F. A compreensão da Física aplicada ao trânsito na perspectiva de egressos do ensino médio, alunos de cursos de primeira habilitação. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 36, n. 4, p. 4311, 2014.

Vygotsky, L. S. a formação social da mente. São Paulo: Martins Fontes, 1991.

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