Desenvolvimento de um Protótipo didático do Sistema Barra-Bola utilizando Arduino e materiais de baixo custo

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Rezende Rosa, Arthur Hermano

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Abstract

This work presents the development of a low-cost educational ball-and-beam prototype, built with accessible materials and controlled by an Arduino platform. The main objective is to provide an affordable tool for practical learning in dynamic systems, mathematical modeling, and control techniques, highlighting its relevance in Control and Automation Engineering education. The study begins with the mathematical modeling of the system, considering the motion of a solid sphere rolling on an inclined beam. The resulting linearized transfer function characterizes the plant as a double-integrator system, inherently unstable in open loop and suitable for evaluating control strategies. Subsequent simulations in MATLAB/Simulink, including the Virtual Lab environment, enable the analysis of controller behavior under different tuning conditions. This stage supports the establishment of performance criteria and provides preliminary insights into system stability. The experimental implementation consists of a physical prototype composed of a U-profile metallic beam, structural support, a servo motor controlling beam inclination, and an ultrasonic sensor responsible for measuring the sphere’s position. The control algorithm integrates sensor acquisition, error computation, and actuation through pulse-width modulation. Experimental results showed that mechanical limitations, structural looseness, and sensor restrictions significantly affected system stability, resulting in oscillations near the equilibrium region. Although the mathematical model and simulations suggested adequate behavior, the practical response revealed the need for structural and sensing improvements. The study concludes that the prototype fulfills its educational purpose by demonstrating the practical challenges of real control implementations and reinforcing the importance of sensor accuracy and mechanical rigidity.


Resumo

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um protótipo didático do sistema barra-bola, construído com materiais de baixo custo e utilizando a plataforma Arduino como unidade de controle. O objetivo principal é fornecer uma ferramenta acessível para a compreensão prática de sistemas dinâmicos, modelagem matemática e técnicas de controle, destacando-se pela relevância no ensino de Engenharia de Controle e Automação. A pesquisa inicia-se com a modelagem matemática do sistema, considerando o rolamento de uma esfera sólida sobre uma barra inclinada e resultando em uma função de transferência linearizada caracterizada como um sistema de duas integrações, inerentemente instável em malha aberta. Essa etapa fundamenta o projeto do controlador e permite antecipar o comportamento dinâmico da planta. Em seguida, realizam-se simulações em MATLAB/Simulink, incluindo o uso do Virtual Lab, possibilitando analisar a atuação do controlador diante de diferentes configurações. As simulações auxiliam na definição de critérios de desempenho e na avaliação preliminar da estabilidade do sistema. A implementação prática envolve a construção de um protótipo composto por uma barra metálica em perfil U, suporte estrutural, servo motor responsável pela inclinação da barra e sensor ultrassônico utilizado para medir a posição da esfera. A programação integra leitura sensorial, cálculo do erro e acionamento do atuador via modulação por largura de pulso. Os testes experimentais evidenciaram que limitações mecânicas, folgas estruturais e restrições do sensor influenciaram significativamente o desempenho do sistema, ocasionando oscilações próximas à região de equilíbrio. Embora o modelo e as simulações indicassem comportamento satisfatório, a resposta prática demonstrou a necessidade de aprimoramentos. Conclui-se que o protótipo cumpre seu papel didático ao evidenciar desafios reais de implementação, reforçando a importância da precisão sensorial e da rigidez estrutural em projetos de controle.

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