Transformar um carrinho comprado em uma loja de brinquedos em um automodelo controlado por um rádio de hobby é um projeto excelente para aprender eletrônica aplicada ao modelismo.
Foi exatamente isso que fiz neste projeto.
Peguei um carrinho simples e fui modificando vários sistemas até que ele deixasse de ser apenas um brinquedo convencional e passasse a funcionar como um verdadeiro projeto de rádio controle, utilizando um Turnigy 9X.
A adaptação não ficou restrita ao controle de direção e aceleração.
Também construí o próprio ESC, desenvolvi um sistema específico para a marcha à ré, instalei um indicador para a bateria LiPo, fiz o volante acompanhar o movimento das rodas e ainda acrescentei LEDs na dianteira e na traseira.
O que muda quando transformamos um brinquedo em automodelo RC?
Um carrinho de brinquedo normalmente vem com um sistema eletrônico fechado.
Temos alguma placa específica produzida para aquele brinquedo, um transmissor simples e funções limitadas.
Quando retiramos essa eletrônica e instalamos um sistema de rádio controle convencional, passamos a ter muito mais liberdade.
Podemos trabalhar com:
transmissor programável;
receptor de vários canais;
servo para direção;
ESC;
bateria LiPo;
funções auxiliares.
O projeto deixa de ser apenas um carrinho comprado pronto.
Ele passa a ser uma plataforma para experimentação.
O rádio utilizado foi o Turnigy 9X
O controle escolhido para a adaptação foi o Turnigy 9X.
Esse tipo de transmissor oferece vários canais e chaves auxiliares.
Isso permite controlar não apenas:
direção
e
motor,
mas também criar funções adicionais.
Foi exatamente o que fiz com a marcha à ré.
Como funciona o sistema básico de um automodelo?
Podemos representar o projeto de maneira simplificada:
Turnigy 9X
↓
Receptor
A partir daí temos dois caminhos principais.
Para a direção:
Receptor → servo → rodas dianteiras
Para a propulsão:
Receptor → ESC → motor
A bateria fornece energia para o sistema.
A direção pode ser controlada por servo
Em um automodelo convencional, o servo recebe o comando do receptor e movimenta a direção.
Temos:
Stick do rádio
↓
Receptor
↓
Servo
↓
Sistema mecânico da direção
↓
Rodas
Quando comandamos para esquerda ou direita, o servo acompanha.
O interessante deste carrinho é que o volante também se movimenta
No meu projeto, não queria apenas fazer as rodas virarem.
Também adaptei o volante do carrinho para acompanhar o movimento da direção.
Assim, quando as rodas viram:
o volante também gira.
Esse detalhe não é necessário para o funcionamento do automodelo.
Ele existe pelo realismo.
E abre uma possibilidade muito interessante.
A ideia era colocar um boneco dirigindo
O plano futuro era colocar um boneco na direção, segurando o volante.
Como o volante realmente acompanha as curvas, a impressão seria de que o personagem estaria dirigindo o carro.
É um ótimo exemplo de como um projeto de rádio controle pode ir muito além da simples locomoção.
Podemos incorporar:
movimento;
iluminação;
personagens;
FPV;
efeitos.
O ESC também foi construído por mim
Em vez de utilizar apenas um controlador comercial pronto, desenvolvi o ESC do carrinho.
No circuito utilizei um transistor FET para fazer o acionamento do motor.
Esse é um ponto interessante porque permite compreender o princípio de um controlador eletrônico de velocidade.
O que faz o ESC?
ESC significa:
Electronic Speed Controller
ou:
Controlador Eletrônico de Velocidade.
Sua função é controlar a potência entregue ao motor de acordo com o comando recebido pelo receptor.
Temos:
Bateria → ESC → Motor
e:
Receptor → sinal → ESC
O receptor não alimenta diretamente o motor.
Ele fornece o comando.
O estágio de potência do ESC é que controla a corrente necessária para o motor.
Por que utilizar um FET?
Um transistor de efeito de campo pode funcionar como uma chave eletrônica controlada.
Temos um pequeno sinal comandando um dispositivo capaz de controlar uma corrente muito maior.
Conceitualmente:
Sinal de controle
↓
FET
↓
Corrente do motor
Esse é um dos princípios fundamentais encontrados em diversos controladores eletrônicos.
O transistor precisava de um grande dissipador
Nos vídeos do projeto é possível observar um grande dissipador de calor instalado no transistor FET utilizado pelo ESC.
Isso acontece porque um dispositivo de potência pode dissipar energia na forma de calor.
Quanto maior:
a corrente;
a resistência efetiva do dispositivo;
o tempo de condução,
maior pode ser a dissipação térmica.
O calor precisa ser retirado do transistor
Se o semicondutor ultrapassar sua temperatura máxima permitida, pode falhar.
Por isso o dissipador possui uma função prática:
aumentar a área disponível para transferência de calor para o ambiente.
Ele não está no circuito apenas por estética.
Faz parte do projeto térmico.
Um ESC caseiro ensina muito
Construir o próprio controlador permite trabalhar com vários conceitos:
PWM;
MOSFET/FET;
corrente;
potência;
dissipação;
controle de motor;
sinais provenientes do receptor.
É uma experiência muito diferente de simplesmente comprar um ESC pronto e conectar três fios.
E como foi feita a marcha à ré?
Essa foi uma das partes mais interessantes do projeto.
Para comandar a marcha à ré utilizei a chave Gear do Turnigy 9X, originalmente destinada a funções como o trem de pouso em aeromodelos.
Quando aciono essa chave, faço a inversão da polaridade aplicada ao motor escovado.
Com isso, o motor passa a girar no sentido contrário.
Por que inverter a polaridade faz o motor girar ao contrário?
Em um motor DC escovado convencional, o sentido de rotação depende da polaridade aplicada aos seus terminais.
Se temos:
+ → terminal A
− → terminal B
o motor gira em um sentido.
Se invertermos:
− → terminal A
+ → terminal B
o motor gira no outro.
Portanto, podemos criar:
frente
e
ré
simplesmente invertendo a polaridade do motor.
Não é a bateria inteira que deve ser invertida
Esse cuidado é importante.
Quando utilizamos eletrônica intermediária, não devemos simplesmente inverter positivo e negativo na entrada de todo o circuito.
A inversão precisa acontecer na alimentação do motor, através de um circuito apropriado.
Inverter a polaridade da entrada de um controlador pode destruir os componentes eletrônicos.
Uma ponte H é uma solução clássica
Uma maneira conhecida de realizar eletronicamente essa função é através de uma ponte H.
Ela permite alterar a polaridade aplicada ao motor sem precisar trocar fisicamente os fios.
Podemos representar:
Comando A → Motor gira para frente
Comando B → Motor gira para trás
No projeto original, desenvolvi um circuito específico de marcha à ré acionado pela chave Gear.
O motor do carrinho é escovado
O sistema de inversão de polaridade descrito faz sentido porque estamos trabalhando com um motor DC escovado.
Motores desse tipo normalmente possuem:
dois fios.
São relativamente simples de controlar.
Por isso aparecem frequentemente em:
brinquedos;
automodelos simples;
mecanismos;
projetos eletrônicos.
Motor brushed e brushless não devem ser confundidos
Um motor brushless normalmente possui três fios de potência e exige um ESC eletrônico capaz de realizar a comutação das fases.
Já o motor brushed:
possui dois terminais
e pode ser controlado por uma eletrônica relativamente mais simples.
Por isso, não devemos utilizar exatamente o mesmo circuito para os dois tipos de motor.
A bateria utilizada é LiPo
No painel do carrinho instalei também um mostrador para acompanhar a bateria LiPo.
Esse tipo de recurso é muito interessante porque permite acompanhar visualmente o estado da alimentação do modelo.
Uma bateria é um componente crítico.
Se sua tensão cair demais, podemos:
perder desempenho;
ter problemas na eletrônica;
danificar a bateria, dependendo da química e das condições.
Por que acompanhar a tensão da LiPo?
As baterias LiPo não devem ser descarregadas excessivamente.
Por isso, acompanhar a tensão ajuda a saber quando está chegando a hora de interromper o uso.
Podemos utilizar:
medidor no painel;
alarme de baixa tensão;
telemetria;
função de cutoff do ESC.
No meu carrinho, a solução visual no painel ajudava também a deixar o projeto com aparência mais elaborada.
O painel deixa o modelo mais realista
O projeto não ficou limitado à parte funcional.
Também trabalhei no painel.
Além do mostrador da bateria, o volante passou a acompanhar o movimento da direção.
Quando começamos a acrescentar esses detalhes, o projeto deixa de parecer um simples carrinho e começa a adquirir características de uma pequena plataforma experimental.
Também instalei LEDs
Outro recurso implementado foi a instalação de LEDs na frente e atrás da carroceria.
Isso permite criar:
faróis dianteiros;
lanternas traseiras;
outros efeitos de iluminação.
LEDs são especialmente interessantes porque consomem pouca potência e são relativamente fáceis de controlar.
O LED precisa de limitação de corrente
Apesar de simples, não devemos ligar qualquer LED diretamente a uma bateria sem verificar sua condição elétrica.
Normalmente utilizamos um resistor ou outro circuito de limitação de corrente.
A relação básica pode ser calculada pela Lei de Ohm:
R = (Vfonte − Vled) / Iled
Assim podemos dimensionar o resistor para a corrente desejada.
Podemos controlar os LEDs pelo rádio
Se houver canais disponíveis no receptor, uma evolução possível é ligar e desligar as luzes remotamente.
Podemos utilizar:
um transistor;
MOSFET;
relé;
microcontrolador.
Assim, uma chave do transmissor pode comandar:
faróis;
lanternas;
pisca-alerta;
outros efeitos.
O Turnigy 9X oferece muitos canais para experimentação
Esse é um dos motivos pelos quais um rádio como o 9X é tão interessante em projetos personalizados.
Em um carro normalmente precisamos apenas de:
direção
e
acelerador.
Isso deixa vários canais disponíveis.
Podemos então criar funções como:
marcha à ré;
luzes;
buzina;
câmera;
movimentos auxiliares.
No meu caso, a chave Gear foi justamente reaproveitada para controlar a ré.
Não precisamos utilizar cada canal para sua função original
Essa é uma ideia muito importante.
Uma chave identificada como:
Gear
não precisa necessariamente comandar um trem de pouso.
Para o rádio, ela é apenas uma entrada que pode gerar um comando.
Podemos interpretar esse comando como quisermos.
No carrinho:
Gear → marcha à ré.
Em outro projeto poderia ser:
Gear → luzes.
Ou:
Gear → buzina.
Essa liberdade torna o rádio programável muito interessante
É aqui que começa a diferença entre utilizar um sistema fechado de brinquedo e um sistema de hobby.
Com um rádio programável podemos adaptar a interface ao projeto.
O transmissor deixa de ser apenas um controle pronto.
Ele passa a fazer parte daquilo que estamos construindo.
O receptor também abre muitas possibilidades
Cada canal do receptor fornece uma informação proveniente do transmissor.
Podemos conectar diretamente:
servo;
ESC;
ou utilizar essa informação em um circuito eletrônico.
Por exemplo:
Receptor → Arduino
Agora o microcontrolador pode interpretar o comando e executar uma lógica muito mais sofisticada.
Podemos colocar um Arduino no carrinho
Imagine evoluir esse projeto.
Um Arduino poderia controlar:
luzes de seta;
faróis;
luzes de freio;
buzina;
painel;
som do motor;
movimento de um personagem.
O rádio fornece os comandos e o microcontrolador coordena os efeitos.
Luz de freio automática
Uma ideia interessante seria detectar a situação de redução ou frenagem.
Então:
carrinho desacelera
↓
Arduino identifica
↓
LEDs traseiros aumentam de intensidade
Podemos reproduzir um comportamento semelhante ao de um veículo real.
Setas sincronizadas com a direção
Outra possibilidade:
comando para esquerda → seta esquerda pisca
comando para direita → seta direita pisca
Isso pode ser feito lendo o canal da direção.
Novamente, um único comando passa a produzir vários efeitos.
E a câmera FPV?
A instalação de uma câmera FPV era justamente uma das evoluções previstas para esse projeto.
FPV significa:
First Person View.
Com uma câmera instalada na posição do motorista, poderíamos receber a imagem em:
monitor;
óculos FPV;
outro sistema de visualização.
A experiência passaria a ser quase como dirigir de dentro do carrinho.
O boneco e o volante fariam ainda mais sentido com FPV
Imagine a câmera instalada próxima à cabeça do personagem.
Na imagem poderíamos enxergar:
parte do volante;
painel;
estrada à frente.
E quando fazemos uma curva:
volante gira
ao mesmo tempo que:
o carrinho muda de direção.
Esse tipo de detalhe cria uma experiência muito interessante.
Uma câmera acrescenta peso
Assim como qualquer componente instalado no modelo, a câmera possui:
massa;
volume;
consumo elétrico.
Precisamos pensar em:
onde instalar;
como alimentar;
como fixar.
Em um carrinho grande isso normalmente é menos crítico do que em um pequeno aeromodelo, mas continua sendo parte do projeto.
Também precisamos alimentar o sistema FPV
Uma câmera e um transmissor de vídeo precisam de energia.
Podemos utilizar:
a própria bateria do carrinho, através de regulação adequada,
ou:
uma bateria específica.
A escolha depende das tensões, correntes e do nível de ruído existente no sistema.
Motores escovados podem gerar ruído elétrico
Esse é um detalhe importante ao combinar um sistema FPV com um motor brushed.
As escovas e o comutador podem produzir interferência elétrica.
Isso pode aparecer na imagem como:
linhas;
ruído;
instabilidade.
Capacitores de supressão no motor, filtragem e organização da fiação podem ajudar.
Já no vídeo abaixo podemos ver o painel onde está o mostrador da bateria LIPO e também o volante. O volante mexe juntamente com o movimento das rodas da direção. No futuro irá ter um boneco segurando o volante.
Separe potência e sinais quando possível
Dentro do carrinho temos fios conduzindo correntes relativamente elevadas para o motor.
Também podemos ter sinais sensíveis de:
vídeo;
rádio;
sensores.
Uma instalação organizada ajuda a reduzir problemas.
Evite passar tudo formando um único emaranhado.
O dissipador precisa receber ventilação
Como o FET do ESC utiliza um grande dissipador, precisamos lembrar que ele só consegue transferir calor eficientemente se tiver condições de trocar esse calor com o ambiente.
Não adianta instalar um enorme dissipador e depois fechá-lo em uma região completamente isolada sem circulação de ar.
Observe a temperatura durante os testes.
Teste o carrinho com as rodas suspensas
Antes dos primeiros testes no chão, coloque o carro de maneira que as rodas motrizes possam girar livremente.
Depois verifique:
direção;
aceleração;
ré;
funcionamento da chave Gear.
Assim, se alguma coisa estiver invertida, o carrinho não sairá disparado pela bancada.
Teste a marcha à ré com baixa potência
Quando estamos desenvolvendo nosso próprio circuito de reversão, não comece aplicando imediatamente potência máxima.
Faça primeiro testes de baixa velocidade.
Observe:
motor;
transistor;
dissipador;
fiação;
comutação.
Depois aumente progressivamente.
Evite inverter o motor instantaneamente em alta velocidade
Imagine o carrinho avançando rapidamente.
Então aplicamos imediatamente polaridade oposta ao motor.
Mecanicamente e eletricamente isso pode produzir esforços muito grandes.
Dependendo do sistema, é melhor:
reduzir;
parar;
depois inverter.
Um controlador mais sofisticado pode inclusive incorporar uma lógica que impeça a reversão instantânea em alta velocidade.
Isso também protege as engrenagens
A transmissão possui:
engrenagens;
eixos;
rodas.
Uma inversão abrupta aplica esforços sobre todo esse conjunto.
Quando fazemos uma adaptação em um brinquedo, precisamos lembrar que a mecânica original pode não ter sido projetada para abusos muito maiores do que aqueles previstos pelo fabricante.
Observe a corrente do motor
O motor pode consumir significativamente mais corrente quando:
arranca;
está sob carga;
fica travado.
Por isso, o transistor do ESC precisa suportar não apenas uma corrente média aparentemente pequena.
Devemos considerar condições de pico e fornecer margem ao projeto.
Meça quando possível
Um multímetro ou instrumento de medição adequado ajuda bastante.
Podemos observar:
tensão da bateria;
corrente do motor;
queda de tensão;
temperatura dos componentes.
Isso transforma o projeto de tentativa e erro em um desenvolvimento muito mais controlado.
A corrente do motor ajuda a dimensionar o FET
Quando escolhemos um dispositivo de potência, precisamos observar várias especificações.
Entre elas:
corrente máxima;
tensão máxima;
resistência em condução;
dissipação;
condições de acionamento.
Não basta escolher qualquer componente chamado FET.
O resistor de Gate também pode ser importante
Em circuitos com MOSFETs, podemos encontrar resistores associados ao Gate para controlar determinadas condições de comutação e garantir estados previsíveis.
Dependendo da topologia, também podemos utilizar um resistor que mantenha o transistor desligado quando não existe comando.
Esses pequenos detalhes aumentam a confiabilidade do controlador.
Um diodo pode ser necessário em cargas indutivas
Motores são cargas indutivas.
Quando interrompemos corrente, podem surgir transientes de tensão.
Por isso, circuitos de acionamento de motores precisam considerar caminhos apropriados para essas correntes e sobretensões.
A topologia exata depende do circuito utilizado, principalmente quando existe reversão de polaridade.
A marcha à ré aumenta a complexidade
Controlar apenas:
motor desligado / ligado
é relativamente simples.
Controlar:
velocidade
já exige mais.
E quando queremos:
velocidade + frente + ré
o circuito se torna ainda mais interessante.
É justamente por isso que essa adaptação é um ótimo exercício de eletrônica.
O projeto mistura eletrônica e mecânica
Não adianta ter um excelente circuito de direção se a mecânica estiver ruim.
Precisamos observar:
servo;
braços;
linkagem;
rodas;
folgas.
Do mesmo modo, não adianta ter um ESC perfeito com um motor ou transmissão travados.
O automodelo é um sistema.
Verifique o alinhamento da direção
Com o servo centralizado:
as rodas devem ficar aproximadamente retas.
Depois fazemos pequenos ajustes mecânicos ou eletrônicos.
Evite utilizar enormes quantidades de trim para compensar uma montagem mecânica muito desalinhada.
O ideal é começar com a geometria correta.
Limite o curso do servo quando necessário
Se o servo continuar tentando virar depois que a direção atingiu o batente mecânico, ele ficará forçando.
Isso pode causar:
alto consumo;
aquecimento;
desgaste.
Ajuste mecanicamente e, se disponível no transmissor, utilize os endpoints.
O volante precisa acompanhar sem forçar o sistema
Como acrescentei o volante ligado ao movimento da direção, também precisamos garantir que esse elemento decorativo não crie resistência excessiva.
O volante deve acompanhar a mecânica.
Ele não deve se transformar em uma carga importante para o servo.
Esse tipo de detalhe é fundamental em mecanismos decorativos.
Podemos utilizar engrenagens ou links leves
Para movimentar elementos de cabine, o ideal é utilizar mecanismos leves.
O servo da direção já possui sua função principal.
Quanto menos esforço adicional criarmos para movimentar o volante, melhor.
Isso ajuda a preservar:
velocidade da direção;
torque disponível;
consumo.
LEDs dianteiros e traseiros também melhoram a experiência noturna
Os LEDs instalados na carroceria permitem que o modelo fique interessante mesmo em condições de pouca luz.
Podemos ainda diferenciar:
faróis brancos;
lanternas vermelhas;
setas âmbar.
Com um pequeno circuito adicional, o carrinho pode ganhar comportamentos muito próximos de um automóvel real.
Podemos criar farol alto e baixo
Se houver canais disponíveis, uma chave pode selecionar:
farol baixo
ou:
farol alto.
Isso pode ser feito com diferentes níveis de corrente ou grupos de LEDs.
Novamente, o rádio deixa de controlar apenas a locomoção e passa a controlar o modelo como um sistema completo.
Podemos acrescentar buzina
Outra função simples:
chave do rádio → buzina.
Um pequeno módulo de áudio ou circuito eletrônico pode reproduzir o efeito.
Se já existe um sistema FPV, ouvir ou controlar sons torna a experiência ainda mais imersiva.
Podemos colocar som de motor
O motor elétrico do carrinho não produz o som de um veículo real.
Mas podemos simular:
marcha lenta;
aceleração;
redução.
Um microcontrolador pode ler o comando do acelerador e modificar o áudio de acordo com a velocidade comandada.
O carrinho se transforma em plataforma de experimentação
Esse talvez seja o aspecto mais interessante do projeto.
Começamos com:
um brinquedo.
Depois acrescentamos:
Turnigy 9X;
receptor;
servo;
ESC caseiro;
marcha à ré;
indicador de LiPo;
volante móvel;
LEDs.
E ainda podemos acrescentar:
FPV;
boneco;
som;
automação.
O carrinho deixa de ser apenas um produto pronto e passa a ser um laboratório.
A adaptação ensina mais do que comprar um automodelo pronto
Se comprarmos um automodelo pronto, ele provavelmente funcionará muito melhor desde o primeiro momento.
Mas perderemos parte da experiência de descobrir:
como controlar o motor;
como comandar o servo;
como gerar a ré;
como dissipar calor;
como alimentar LEDs;
como interpretar canais do rádio.
Construir nos obriga a entender.
E essa é justamente a graça do projeto
No artigo original, eu disse que aquele carrinho “não é mais tão carrinho assim”.
E isso resume bem a ideia.
Originalmente ele era um simples brinquedo comprado em loja.
Depois das adaptações, passou a possuir:
rádio Turnigy 9X;
controle eletrônico construído especificamente para ele;
ré comandada por uma chave auxiliar;
painel;
volante sincronizado;
iluminação.
Ele virou algo completamente diferente.
Nesse vídeo podemos ver o carrinho com a carroceria em mais detalhes como os LEDs que foram instalados na frente e atrás também.
Quer aprender a transformar brinquedos em projetos RC?
Esse carrinho mostra que o conhecimento de eletrônica abre uma quantidade enorme de possibilidades no modelismo.
Quando entendemos:
motores escovados;
FETs;
ESC;
servos;
receptores;
rádio controle;
LiPo;
LEDs;
controle de potência,
podemos pegar um brinquedo relativamente simples e criar um sistema completamente novo.
A ideia é não ficar restrito a comprar modelos prontos, mas adquirir conhecimento para montar, adaptar, diagnosticar e criar suas próprias soluções de rádio controle, exatamente como fiz ao transformar este carrinho em um automodelo controlado pelo Turnigy 9X.