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Testes de Energia

Roteiro de Testes de Energia (PI1 2026.2)

Relatório das simulações e dos ensaios de bancada do subsistema de energia do robô Micromouse (Grupo 1) para a disciplina Projeto Integrador 1 (semestre 2026.2, FCTE/UnB, Prof. Lui). O foco é o consumo de corrente do subsistema de tração (dois motores DC alimentados por uma bateria LiPo 2S de \(1500\text{ mAh}\)) e a autonomia do robô. O documento cobre quatro blocos:

  1. Metodologia: materiais, modelagem dos motores no KiCad e equações usadas.
  2. Consumo de corrente da tração: simulação no KiCad e medição em bancada com os motores parados, em movimento livre e travados (stall).
  3. Descarga contínua e autonomia: corrente total estimada do robô completo e autonomia frente ao requisito RNF-ENE01.
  4. Comportamento térmico: aquecimento dos motores, da ponte H, da bateria e do cabeamento durante os ensaios.

Atividades da EAP: #132 — Teste de carga, autonomia e proteção (EAP 4.7.1) e #133 — Escrita do relatório 7.2 (EAP 4.7.2).

Painel Geral de Ensaios de Energia

A tabela abaixo reúne os testes de energia do projeto. O identificador de cada teste (ID) leva direto para o detalhamento da seção correspondente, com links para os requisitos e para as evidências.

ID Requisito Descrição do Teste Período Responsáveis Resultados Esperados Resultados Obtidos Aprovação Evidência
2.1 RNF-ENE01 Corrente da tração com os motores parados (ponte H em corte) 19/10 a 21/10/2026 Lucas Oliveira
Rafaela Trajano
Lucas Peixoto
Antônio Lucas		 Corrente praticamente nula no subsistema de tração. Simulação: \(14,8\text{ nA}\) (\(\approx 0\text{ A}\)). Bancada: \(0,00\text{ A}\). ✅ Figuras 2.1 e 2.2
2.2 RNF-ENE01 Corrente da tração com os motores em movimento livre (sem carga) 19/10 a 21/10/2026 Lucas Oliveira
Rafaela Trajano
Lucas Peixoto
Antônio Lucas		 Corrente próxima do dado do fabricante (\(120\text{ mA}\) por motor a \(6\text{ V}\)). Simulação: \(296\text{ mA}\) totais. Bancada: \(80\text{ mA}\) totais (\(40\text{ mA}\) por motor). ✅ Figuras 2.3 e 2.4
2.3 RNF-ENE03 Corrente de travamento (stall) com o eixo dos motores bloqueado 19/10 a 21/10/2026 Lucas Oliveira
Rafaela Trajano
Lucas Peixoto
Antônio Lucas		 Pico de corrente conhecido e suportado pela ponte H e pela proteção. Simulação: \(3,95\text{ A}\) totais. Bancada: \(1,10\text{ A}\) totais (\(0,55\text{ A}\) por motor). ✅ Figuras 2.5 e 2.6
2.4 RNF-ENE01 Descarga contínua e cálculo da autonomia do robô completo 19/10 a 21/10/2026 Lucas Oliveira
Rafaela Trajano
Lucas Peixoto
Antônio Lucas		 Autonomia \(\ge 15\text{ min}\) (RNF-ENE01) e \(\ge 30\text{ min}\) para os três labirintos da apresentação final. Corrente total estimada de \(230\text{ mA}\); autonomia teórica de \(\approx 391\text{ min}\) (6,5 h). ✅ Figuras 3.1 e 3.2
2.5 RNF-ENE03 Inspeção térmica dos motores, da ponte H, da bateria e do cabeamento 19/10 a 21/10/2026 Lucas Oliveira
Rafaela Trajano
Lucas Peixoto
Antônio Lucas		 Nenhum componente com aquecimento capaz de causar dano. Motor aquece em stall sem danificar o chassi; ponte H, bateria e fios sem aquecimento relevante. ✅ Seção 4.1

Testes de energia registrados no relatório de hardware

A medição da tensão da bateria pelo ADC (RF-ENE02) e a estabilidade das linhas de \(3,3\text{ V}\) e \(5,0\text{ V}\) sob carga dos motores (RNF-ENE02) foram ensaiadas junto com a eletrônica e estão documentadas no teste 3.8 do relatório de hardware. A matriz de rastreabilidade ao final reúne todos os requisitos de energia.

1. Metodologia

1.1 Contexto e Objetivos

No Projeto Integrador 1, o robô precisa concluir três labirintos, com até 10 minutos cada, na apresentação final. Por isso, é preciso confirmar que o subsistema de energia sustenta esse tempo de funcionamento. Conhecer o consumo dos motores em cada condição de operação também é a base para dimensionar a bateria, a ponte H e as proteções do circuito.

Objetivos dos ensaios:

  1. Simular no KiCad as correntes dos motores nas condições parado, em movimento e travado;
  2. Medir em bancada as correntes nas mesmas três condições;
  3. Comparar os valores simulados e medidos e explicar as diferenças;
  4. Estimar a corrente contínua total do robô completo e a sua autonomia;
  5. Observar o comportamento térmico dos componentes críticos do subsistema de energia.

1.2 Materiais e Ferramentas

  • Bateria LiPo 2S de \(1500\text{ mAh}\): tensão de \(7,60\text{ V}\) no início dos ensaios (nas simulações, adotou-se \(7,4\text{ V}\) nominais);
  • Dois motores DC: corrente de stall de \(1,6\text{ A}\) e corrente sem carga de \(120\text{ mA}\), ambas a \(6\text{ V}\) e por motor (dados do fabricante);
  • Protoboard EPB0056;
  • Multímetro digital e cronômetro;
  • Software KiCad, para a simulação dos circuitos.

1.3 Modelagem e Procedimento

Na simulação, cada motor foi representado por um resistor ligado em paralelo à fonte \(V_1 = 7,4\text{ V}\). Assim, a corrente total fornecida pela bateria é a soma das correntes dos dois ramos. A resistência adotada em cada condição foi:

Condição Resistência por motor Origem do valor
Parados \(1\text{ G}\Omega\) Circuito em corte (chaves ou ponte H abertas)
Movimento livre \(50\ \Omega\) \(6\text{ V} \div 0,12\text{ A}\) (corrente sem carga)
Travados (stall) \(3,75\ \Omega\) \(6\text{ V} \div 1,6\text{ A}\) (corrente de stall)

Na bancada, a corrente foi medida com o multímetro nas mesmas três condições: motores parados, girando livremente e com o eixo travado mecanicamente.

1.4 Equações Utilizadas

Lei de Ohm e resistência equivalente do motor:

\[I = \frac{V}{R} \qquad\qquad R = \frac{V}{I}\]

Corrente total do robô e autonomia da bateria:

\[I_{\text{total}} = I_{\text{tração}} + I_{\text{eletrônica}} \qquad\qquad \text{Autonomia (min)} = \frac{C}{I_{\text{total}}} \times 60\]

Onde \(I\) é a corrente (A ou mA), \(V\) a tensão (V), \(R\) a resistência (\(\Omega\)) e \(C\) a capacidade da bateria (mAh). O fator 60 converte horas em minutos. Com esses dados, a corrente de stall a \(7,4\text{ V}\) fica em \(7,4 \div 3,75 \approx 1,97\text{ A}\) por motor.

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2. Consumo de Corrente do Subsistema de Tração

Para cada condição de operação, são apresentados o resultado da simulação e o da medição em bancada, seguidos da comparação.

2.1 Motores Parados (ID 2.1)

Ficha do Teste

Simulação no KiCad

Com os dois motores modelados como resistores de \(1\text{ G}\Omega\) (ponte H em corte), a fonte fornece \(-14,8\text{ nA}\), ou seja, \(7,4\text{ nA}\) em cada ramo (\(7,4\text{ V} \div 1\text{ G}\Omega\)). O sinal negativo é apenas o sentido convencional que o simulador adota para a corrente fornecida pela fonte.

Para o funcionamento do micromouse, esse valor é nulo na prática. O simulador não mostra exatamente \(0\text{ A}\) porque calcula o valor exato da corrente que atravessa a resistência de \(1\text{ G}\Omega\).

Simulação dos motores parados no KiCad Figura 2.1: Esquemático e resultado da simulação com os motores parados.

Ensaio em bancada

A medição prática confirmou \(0,00\text{ A}\) no subsistema de tração.

Ensaio em bancada com os motores parados Figura 2.2: Bancada com os motores parados; o multímetro indica 0,00 A.

Resultado do Teste 2.1

Simulação (\(\approx 0\text{ A}\)) e bancada (\(0,00\text{ A}\)) coincidem. No robô montado, o consumo parado não será nulo: o ESP32, os sensores e a ponte H em standby continuam drenando corrente da bateria. Esse consumo está incluído na estimativa da eletrônica usada no cálculo da autonomia.

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2.2 Motores em Movimento Livre (ID 2.2)

Ficha do Teste

Simulação no KiCad

Com \(7,4\text{ V}\) aplicados a dois resistores de \(50\ \Omega\) em paralelo, a simulação fornece \(148\text{ mA}\) por motor, ou \(296\text{ mA}\) totais fornecidos pela bateria.

Simulação dos motores em movimento no KiCad Figura 2.3: Esquemático e resultado da simulação com os motores em movimento livre.

Esse valor corresponde ao motor girando livremente no ar. Com a autonomia calculada só para a tração simulada, temos:

\[\text{Autonomia simulada} = \frac{1500}{296} \times 60 \approx 304\text{ min}\]

Na pista, o peso do robô, o atrito das rodas e das engrenagens e o consumo da eletrônica farão a bateria durar menos, mas ainda com ampla margem em relação ao necessário.

Ensaio em bancada

O multímetro indicou \(40\text{ mA}\) por motor, ou \(80\text{ mA}\) totais, bem abaixo dos \(148\text{ mA}\) por motor previstos na simulação.

Ensaio em bancada com os motores em movimento Figura 2.4: Bancada com um motor girando livremente; o multímetro indica 0,04 A.

Resultado do Teste 2.2

O consumo real em movimento livre (\(80\text{ mA}\) para os dois motores) foi menor que o simulado e que o cenário baixo do projeto conceitual de energia (\(0,30\text{ A}\) por motor). Esse valor é o limiar mínimo de tração: no labirinto, o peso do chassi, o atrito dos pneus com o piso e as curvas exigirão mais torque, e a corrente real deve subir em direção ao valor simulado.

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2.3 Motores Travados em Stall (ID 2.3)

Ficha do Teste

Simulação no KiCad

Com a resistência interna de \(3,75\ \Omega\) por motor, a corrente de stall simulada a \(7,4\text{ V}\) é de \(1,97\text{ A}\) por motor, ou cerca de \(3,95\text{ A}\) totais fornecidos pela bateria.

Simulação dos motores travados no KiCad Figura 2.5: Esquemático e resultado da simulação com os motores travados.

Ensaio em bancada

Com o eixo bloqueado mecanicamente, o multímetro registrou \(0,55\text{ A}\) por motor, ou \(1,10\text{ A}\) totais.

Ensaio em bancada com os motores travados Figura 2.6: Eixo do motor travado com alicate; o multímetro indica 0,55 A.

O valor medido foi menor que o simulado por três motivos que o modelo ideal do KiCad não considera:

  1. Resistência de contato: fios finos, conexões temporárias na protoboard e as pontas de prova do multímetro somam resistência em série ao circuito, limitando a corrente;
  2. Resistência interna real: o enrolamento deste lote de motores pode ter resistência maior que os \(3,75\ \Omega\) calculados a partir do datasheet;
  3. Tensão sob carga: no pico de corrente, a tensão da bateria cai momentaneamente abaixo dos \(7,60\text{ V}\), o que reduz o próprio pico.

Resultado do Teste 2.3

O pico real de travamento (\(1,10\text{ A}\) totais, \(0,55\text{ A}\) por motor) fica abaixo do limite contínuo de \(1,2\text{ A}\) por canal da ponte H TB6612FNG. Assim, a ponte H e o circuito de proteção suportam sem danos o caso em que o robô colide e trava contra uma parede do labirinto.

Pendente: corte do PWM por travamento

O firmware monitora os encoders e, ao detectar uma roda parada com a tração acionada, zera o PWM enviado à ponte H, que deixa de conduzir corrente para os motores. Esse corte deve ocorrer em até \(1,2\text{ s}\) após o travamento e será validado no robô montado, nos testes de integração.

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2.4 Comparação entre Simulação e Bancada

Cenário Resistência por motor Corrente por motor Corrente total (bateria) Potência total
Parado \(1\text{ G}\Omega\) \(7,4\text{ nA}\) \(14,8\text{ nA}\) (\(\approx 0\text{ A}\)) \(109,52\text{ nW}\)
Em movimento \(50\ \Omega\) \(148\text{ mA}\) \(296\text{ mA}\) \(2,1904\text{ W}\)
Travado (stall) \(3,75\ \Omega\) \(1,97\text{ A}\) \(3,95\text{ A}\) \(29,2053\text{ W}\)

Tabela 2.1: Resultados das simulações no KiCad (fonte de 7,4 V).

Cenário Simulação (1 motor) Simulação (2 motores) Bancada (1 motor) Bancada (2 motores)
Parado \(\approx 0\text{ A}\) \(\approx 0\text{ A}\) \(0,00\text{ A}\) \(0,00\text{ A}\)
Em movimento \(0,148\text{ A}\) \(0,296\text{ A}\) \(0,04\text{ A}\) \(0,08\text{ A}\)
Travado (stall) \(1,97\text{ A}\) \(3,95\text{ A}\) \(0,55\text{ A}\) \(1,10\text{ A}\)

Tabela 2.2: Correntes simuladas e medidas nas três condições de operação.

Os valores medidos coincidiram com a simulação com os motores parados e ficaram abaixo dela em movimento e em travamento. Para dimensionar o circuito de proteção, a simulação é, portanto, a estimativa mais conservadora.

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3. Descarga Contínua e Autonomia

3.1 Descarga Contínua e Cálculo da Autonomia (ID 2.4)

Ficha do Teste

O teste de descarga contínua foi feito na bancada com o multímetro monitorando a tensão da bateria e um cronômetro marcando o tempo de operação. Após cerca de 10 minutos de ensaio, a bateria se manteve em \(7,58\text{ V}\) a \(7,59\text{ V}\).

Montagem do teste de descarga contínua Cronômetro e multímetro no teste de descarga contínua Figura 3.1 (esquerda): Montagem em bancada, com o multímetro indicando 7,58 V. Figura 3.2 (direita): Cronômetro em 10:00,37 e multímetro indicando 7,59 V.

A corrente contínua do robô completo soma o valor medido dos motores a uma estimativa da eletrônica embarcada:

Parcela Corrente Origem
Subsistema de tração \(80\text{ mA}\) Medido em bancada (dois motores a \(40\text{ mA}\) em movimento livre, teste 2.2)
Controle e sensores \(150\text{ mA}\) Estimado: ESP32 ativo, sensores ToF, encoders e corrente de repouso da ponte H
Total \(230\text{ mA}\)

Aplicando a equação da autonomia:

\[\text{Autonomia} = \frac{1500\text{ mAh}}{230\text{ mA}} \times 60 \approx 391\text{ min} \approx 6,5\text{ h}\]

Para verificar se a conclusão depende da estimativa de \(150\text{ mA}\) da eletrônica, a autonomia foi recalculada com os cenários de consumo do projeto conceitual de energia (ESP32, três sensores ToF, dois encoders, lógica da ponte H, LEDs e monitor da bateria):

Cenário Tração Eletrônica Corrente total Autonomia teórica
Base deste relatório \(80\text{ mA}\) (movimento livre) \(150\text{ mA}\) (estimativa) \(230\text{ mA}\) \(\approx 391\text{ min}\)
Eletrônica nominal do 4.2 \(80\text{ mA}\) (movimento livre) \(\approx 220\text{ mA}\) \(\approx 300\text{ mA}\) \(\approx 300\text{ min}\)
Pior caso \(1,10\text{ A}\) (dois motores em stall) \(\approx 359\text{ mA}\) (conservador) \(\approx 1,46\text{ A}\) \(\approx 62\text{ min}\)

Resultado do Teste 2.4

A autonomia teórica de \(391\text{ min}\) supera com folga o mínimo de \(15\text{ min}\) do RNF-ENE01 e também os \(30\text{ min}\) dos três labirintos da apresentação final (até 10 minutos cada), sem precisar recarregar ou trocar a bateria entre eles. Mesmo no pior caso, com os dois motores travados o tempo todo e a eletrônica no cenário conservador, a bateria duraria cerca de \(62\text{ min}\).

Estimativa a substituir por medição

Os \(150\text{ mA}\) da eletrônica são uma estimativa. O próximo passo é medir o consumo real da eletrônica no robô completo e repetir o cálculo da autonomia com esse valor.

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4. Comportamento Térmico

4.1 Inspeção Térmica dos Componentes Críticos (ID 2.5)

Ficha do Teste

Durante os ensaios, foi observado o aquecimento dos componentes críticos do subsistema de energia:

Componente Condição observada Situação
Motores DC No ensaio com o eixo travado, a carcaça esquentou rapidamente, mas não a ponto de danificar o chassi ou as peças do robô caso ele fique travado no labirinto. ✅ Adequado
Ponte H (TB6612FNG) O circuito integrado manteve a temperatura dentro do normal. ✅ Adequado
Bateria LiPo e cabeamento No teste de descarga contínua, a bateria e os fios não esquentaram, o que indica taxa de descarga (fator C) dentro do limite. ✅ Adequado

Resultado do Teste 2.5

Nenhum componente apresentou aquecimento capaz de causar dano. O ponto de maior atenção é o motor em stall, situação que o corte do PWM por travamento (validado nos testes de integração) vai limitar a no máximo \(1,2\text{ s}\).

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5. Conclusão e Próximas Etapas

As simulações e os ensaios em bancada caracterizaram o consumo de corrente da tração do micromouse nas três condições de operação:

  • Parados: a simulação previu \(\approx 0\text{ A}\) e a bancada confirmou \(0,00\text{ A}\);
  • Movimento livre: a simulação indicou \(0,296\text{ A}\) para os dois motores e a bancada registrou \(0,08\text{ A}\);
  • Travados: a simulação indicou \(3,95\text{ A}\) e a bancada \(1,10\text{ A}\). A diferença vem da resistência de contato, da resistência interna real dos motores e da queda de tensão da bateria sob carga.

Com corrente contínua estimada de \(230\text{ mA}\) para o robô completo, a autonomia teórica é de \(391\text{ min}\), muito acima do requisito, mesmo considerando o aumento de consumo esperado no labirinto. O comportamento térmico dos motores, da ponte H e da bateria foi adequado.

Próximas etapas:

  1. Validar no robô montado o corte do PWM em até \(1,2\text{ s}\) após o travamento (testes de integração);
  2. Medir o consumo real da eletrônica embarcada para substituir a estimativa de \(150\text{ mA}\);
  3. Ensaiar a proteção por sobrecorrente (fusível), o corte por subtensão e a chave geral (ver a matriz abaixo).

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6. Matriz de Rastreabilidade dos Requisitos de Energia

A tabela relaciona cada requisito de energia com o teste que o cobre e a métrica obtida. Os requisitos ainda sem ensaio aparecem como pendentes.

Requisito Descrição ID de Teste Ensaio e Métrica Obtida Status
RF-ENE01 Conversão e distribuição de potência em barramentos de tração e de lógica 3.8 (hardware) Linhas de \(3,3\text{ V}\) e \(5,0\text{ V}\) estáveis com os motores em operação. ✅ Conforme
RF-ENE02 Medição contínua da tensão da bateria em formato digital 3.8 (hardware) Divisor 100k/47k no ADC1_CH6 com erro menor que \(1,5\%\). ✅ Conforme
RF-ENE03 Corte automático dos motores por subtensão em menos de \(200\text{ ms}\) — Ainda não ensaiado em bancada. ⏳ Pendente
RF-ENE04 Chave geral mecânica com corte para \(0\text{ mA}\) — Ainda não ensaiado em bancada. ⏳ Pendente
RNF-ENE01 Autonomia mínima de \(15\text{ min}\) em navegação ativa 2.1
2.2
2.4		 Autonomia teórica de \(\approx 391\text{ min}\) com \(230\text{ mA}\) totais (\(\approx 62\text{ min}\) no pior caso). ✅ Conforme
RNF-ENE02 Tensão lógica dentro de \(\pm 5\%\) sob transitórios dos motores 3.8 (hardware) Linhas de \(3,3\text{ V}\) e \(5,0\text{ V}\) na faixa de \(\pm 5\%\) em partidas e reversões. ✅ Conforme
RNF-ENE03 Proteção por sobrecorrente (fusível) atuando em menos de \(500\text{ ms}\) 2.3
2.5		 Corrente de stall medida (\(1,10\text{ A}\)) e sem aquecimento danoso; atuação do fusível ainda não ensaiada. ⚠ Parcial
RNF-ENE04 Conector da bateria com polaridade à prova de inversão — Ainda não ensaiado em bancada. ⏳ Pendente
RNF-ENE05 Recarga completa da bateria em menos de \(90\text{ min}\) — Ainda não ensaiado em bancada. ⏳ Pendente

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