Mecatrônica: Do laboratório aos projetos dos estudantes e à pesquisa

Visão geral

O módulo NI ELVIS RIO Control leva a arquitetura de E/S reconfiguráveis (RIO) padrão da indústria à estação de laboratório de ensino NI ELVIS. Com isso, os estudantes podem aprender e aplicar conceitos nas aulas de laboratório de mecatrônica, fazendo descobertas com as mesmas ferramentas usadas no projeto de sistemas mecatrônicos pelos engenheiros na pesquisa e indústria. Além disso, tendo a programação gráfica do LabVIEW, a arquitetura NI RIO e a instrumentação do NI ELVIS em uma única estação de laboratório, os estudantes podem rapidamente simular, testar e projetar utilizando os conceitos de mecatrônica aprendidos em sala de aula. Como o hardware e software da NI para o ensino e pesquisa adotam as mesmas arquiteturas que o hardware e software da NI para a indústria, os estudantes também ganharão uma qualificação valiosa para as suas carreiras na engenharia.

Conteúdo

A arquitetura NI RIO

O módulo NI ELVIS RIO Control é um dos produtos NI baseados na arquitetura NI RIO.  Com essa arquitetura, o projeto de mecatrônica ganha recursos como E/S de alto desempenho, uma flexibilidade sem precedentes no controle de temporização do sistema e a capacidade de criar rapidamente circuitos customizados de hardware.  Ela é formada por quatro componentes: 1 processador, 1 FPGA reconfigurável, entradas e saídas e software gráfico de projeto.   

 Usando a programação gráfica do LabVIEW, os projetistas de sistemas mecatrônicos têm visibilidade imediata do status de seus sistemas em tempo real, o que acelera o processo iterativo do projeto.   Essa solução para o projeto de sistemas mecatrônicos foi adotada pelas instituições acadêmicas, de pesquisa e a indústria como solução de classe mundial para o rápido desenvolvimento de sistemas complexos e poderosos de mecatrônica e controle. 

 A linha NI RIO 

Cada produto NI criado com base na arquitetura RIO é otimizado para um caso de uso específico.   Esses produtos podem ser criados em diversos padrões, com diferentes recursos, especificações de desempenho, software de aplicação, add-ons de hardware e materiais de referência.   

 Módulo NI ELVIS RIO Control para o laboratório de mecatrônica

 Além dos benefícios da arquitetura NI RIO, o NI ELVIS oferece uma base estrutural para sistemas mecatrônicos com restrições.   O NI ELVIS inclui instrumentação para visualizar toda e qualquer medição dos conceitos de mecatrônica, além de proporcionar um rápido teste e resolução de problemas, quando necessário.   Os estudantes podem usar as instruções de primeiros passos, VIs Express do LabVIEW e templates de software incluídos para aprender e usar rapidamente essa tecnologia.   

 As experiências de laboratório de mecatrônica podem ser baseadas em placas add-on complexas de alta fidelidade, fornecidas com manuais de laboratório e software da Quanser, Inc.   A NI também oferece materiais didáticos modulares, que proporcionam flexibilidade ao ensino dos fundamentos da mecatrônica e de sua aplicação em projetos. 

O caso de sucesso da Georgia Tech

O Dr. David MacNair, da Georgia Tech, escolheu o módulo NI ELVIS RIO Control porque, com esse módulo, ele tem a máxima flexibilidade e o controle dos níveis de abstração de hardware e software apresentados aos seus estudantes de mecatrônica.   Com esse módulo, os estudantes aprendem sobre condicionamento de sinais e diagnóstico de circuitos de maneira prática, usando a instrumentação NI ELVIS e aproveitando as vantagens das altas taxas de amostragem e amplas faixas de tensão.   Quando os estudantes começam a projetar sistemas mecatrônicos complexos, eles usam a abstração de alto nível proporcionada pelo módulo NI ELVIS RIO Control.   Os estudantes de mecatrônica puderam aprender e fazer experiências em projetos de alto e baixo nível rapidamente – expondo o hardware e software de baixo nível, quando necessário, para abstraindo-os de forma que os estudantes também aprender sobre projetos de sistemas mecatrônicos em um único semestre. 

 

 

NI myRIOpara os projetos de mecatrônica dos estudantes. 

 

 Após aprender os fundamentos de mecatrônica em laboratório, os estudantes podem aplicar os seus conhecimentos em projetos mecatrônicos complexos com o myRIO, outro produto para o ensino e pesquisa baseado na arquitetura NI RIO.   

 O NI myRIO oferece E/S adicionais e integra dispositivos como LEDs programáveis, 1 acelerômetro e 1 rádio Wi-Fi.   A construção do myRIO é ideal para projetos autônomos ou móveis, pois ele pode ser simplesmente montado e desconectado de dispositivos host.   O myRIO oferece a mesma experiência de software e pinagem de E/S que o módulo NI ELVIS RIO Control, proporcionando uma fácil transição para os estudantes.   A NI oferece recursos como o guia de fundamentos de projeto e guia de fundamentos de visão artificial, que ajudam os estudantes a conectar rapidamente o myRIO a interfaces, sensores e atuadores de uso comum em aplicações mecatrônicas.   

 O myRIO possui também uma linha completa de acessórios para a expansão dos projetos de mecatrônica, muitos dos quais podem também ser configurados para o módulo NI ELVIS RIO Control, sobre o qual você pode aprender mais aqui:  

ETH Zurich

 Quando os estudantes de projeto final de curso da ETH Zurich aceitaram o audacioso desafio de projetarem uma cadeira de rodas que pudesse se equilibrar em duas rodas e subir escadas em qualquer ângulo de inclinação, eles escolheram o myRIO como sistema de controle e o LabVIEW para a linguagem de programação.   A natureza gráfica do LabVIEW foi uma enorme vantagem para os engenheiros mecânicos da equipe, que não possuíam muita experiência em programação   A equipe utilizou o myRIO para ler dados da IMU e encoders dos motores do sistema, executar algoritmos de controle e acionar os motores.   As dimensões compactas do myRIO, seus recursos de montagem e a grande quantidade de E/S o tornaram o dispositivo perfeito para controlar essa cadeira de rodas que sobe escadas, para que os estudantes pudessem melhorar as vidas das pessoas com necessidades especiais.   Leia mais aqui.

 

 

 Produtos NI RIO para a pesquisa – de sistemas de controle, monitoramento e embarcados 

 Após usar o módulo NI ELVIS RIO Control e o myRIO, os estudantes poderão fazer rapidamente sua transição para os produtos baseados no NI RIO, onipresentes tanto na pesquisa quanto na indústria.   A NI oferece diversas linhas de produtos RIO de uso industrial, para diversos padrões de construção, dimensões, dimensões e opções de E/S.   O CompactRIO(cRIO) é ideal para condições ambientais extremas e E/S especializadas, devido à sua construção robusta e portas modulares de E/S.  O Single-Board RIO (sbRIO) é ideal para sistemas embarcados e OEM, devido às suas pequenas dimensões e menor custo.  Outros exemplos de produtos NI RIO de especificações industriais são as placas da Série R para PXI e PCIFlexRIO e o NI System on Module (SOM)

Hyundai 

 O Central Advanced Research and Engineering Institute da empresa Hyundai Motor padronizou seus sistemas com base na arquitetura NI RIO para prototipar e implementar o seu dispositivo de robótica vestível para assistência à locomoção.   Quando foram selecionar um controlador principal para os seus robôs vestíveis, eles precisavam de processamento em alta velocidade de dados provenientes de diversos sensores, visualização de dados em tempo real para desenvolverem algoritmos de controle e conectividade a outros dispositivos inteligentes, o que tornou o LabVIEW e o myRIO a escolha óbvia.   Durante a prototipagem, eles usaram o cRIO para o projeto de E/S modulares e aproveitaram a flexibilidade do FPGA nas mudanças e desenvolvimentos da arquitetura do sistema.   Quando precisaram embarcar o controlador em seu projeto mecânico, eles fizeram a transição a um NI System on Module (SOM), pelas pequenas dimensões, pouco peso e eficiência no uso da energia.   A mesma arquitetura RIO que ajudou os estudantes a aprender conceitos de mecatrônica a projeto de sistemas com o módulo ELVIS RIO Control e o myRIO foi também usada nesse projeto complexo.   Com essa arquitetura, os engenheiros puderam fazer iterações rápidas, interfaces com diversos sensores e a execução de algoritmos complexos de controle, assim como os estudantes nas aulas de mecatrônica.   Saiba mais aqui.

 

 Quadro de comparação dos produtos NI RIO 

 Veja mais informações sobre os dispositivos NI RIO para a academia e indústria no quadro abaixo: 

 

Estações completas de laboratório de mecatrônica, com o módulo NI ELVIS RIO Control

As experiências práticas em laboratório são essenciais para que os estudantes possam aprender conceitos de mecatrônica, através da simulação, experimentação e projeto.  A NI e outras empresas líderes em ensino de engenharia trabalharam juntas para oferecerem soluções completas de ensino.  Cada solução inclui hardware, software e materiais de ensino que ajudam os professores a oferecer experiências práticas, desde os conceitos fundamentais até os mais complexos. 

Placa add-on e recursos de laboratório para sistemas mecatrônicos da Quanser

 

Essa placa add-on é a mais nova inclusão à linha de soluções da Quanser para o ensino de mecatrônica com o NI ELVIS.  As primeiras 3 placas add-on para mecatrônica são usadas diretamente com o ELVIS. Essas placas apresentam aos estudantes os fundamentos de sensores, atuadores e interfaces para mecatrônica.  A nova placa add-on para sistemas mecatrônicos integra todos esses conceitos, além de princípios mecânicos e de programação, para oferecer uma experiência de sistema para a mecatrônica. 

A placa é um sistema turnkey formado por um sistema de ligações formado por 4 barras, motores CC, encoders e uma câmera.  Os laboratórios de estudantes apresentam diversas atividades, em vários níveis de complexidade.  Os laboratórios de processo enfocam a funcionalidade e teste de processos individuais. Os laboratórios de sistemas desafiam os estudantes a utilizarem uma combinação de processos individuais para realizarem tarefas.   Todas as atividades de laboratório incluem recursos do software LabVIEW, manuais de laboratório para os estudantes e manual do instrutor.   Os estudantes aprendem e aplicam os seus conhecimentos em processamento de imagens, controle de movimento, controle de tarefas e muito mais.  

Trabalhando com hardware de alta fidelidade implementado em um sistema fixo, embora flexível, os estudantes podem aprender rapidamente conceitos complexos do projeto de sistemas mecatrônicos, sem perder tempo em resolver problemas menores como circuitos montados incorretamente, hardware com especificações insuficientes ou mecanismos de fácil desgaste.   Os conceitos aprendidos e aplicados com a placa add-on para sistemas mecatrônicos da Quanser podem ser aplicados simultaneamente ou em sequência com projetos de sistemas mecatrônicos abertos, descritos a seguir, ou com o myRIO.

Conclusão

Para aprender conceitos e o projeto de sistemas mecatrônicos, os estudantes precisam ter as ferramentas e plataformas de ensino certas para poderem criar simulações, protótipos e projetos de sistemas mecatrônicos.   Eles também precisam desenvolver conhecimentos que poderão aproveitar depois, usando a mesma tecnologia que encontrarão na pesquisa científica e na indústria.   Utilizando o módulo NI ELVIS RIO Control como padrão no laboratório de mecatrônica, os estudantes terão acesso imediato a instrumentação, E/S rápidas e flexíveis e programação gráfica, em uma mesma estação de laboratório.   Isso permitirá que eles aprendam desde os elementos mecatrônicos individuais até os sistemas mecatrônicos, utilizando várias camadas de abstração de hardware e software para terem um aprendizado prático e rápido.   Utilizando um produto da linha NI RIO, os estudantes também ganharão conhecimentos que poderão aproveitar nos projetos com o LabVIEW e o myRIO, para mais à frente implementarem esses mesmos conhecimentos em suas carreiras na engenharia.