Análise de Consumo Energético do Produto¶

Com relação ao consumo energético do produto desenvolvido, será necessário apresentar cálculos de consumo dos diversos componentes utilizados e explicar as decisões de projeto para atender a estas demandas.

Identificação dos Subsistemas Elétricos: listem todos os componentes que consumirão energia, como sensores, microcontroladores, atuadores e módulos de armazenamento de dados. Para cada componente, registrem a tensão de operação (V), corrente média (mA) e tempo estimado de uso (s).
Cálculo da Energia Consumida por Componente: utilizem a fórmula: \(E = V I t\), onde \(E\) é a energia em joules, \(V\) é a tensão em volts, \(I\) a corrente em ampères e \(t\) o tempo em segundos. Realizem esse cálculo para cada componente do sistema.
Estimativa do Consumo Total de Energia: somem as energias de todos os componentes para obter o consumo energético total estimado do sistema por execução.
Escolha da Fonte de Alimentação: com base no consumo total, convertam para watt-hora: 1 Wh = 3600 J. Adicionem e justifiquem uma margem de segurança (pesquisar o que é usual para este tipo de sistema), e selecionem uma bateria ou fonte que supra a demanda.
Planejamento do Circuito de Alimentação: analisem a necessidade de inclusão de reguladores de tensão, proteções contra sobrecorrente, e isolamento para atuadores. Como as oscilações de tensão serão controladas?
Monitoramento via software: implementem, no software embarcado, rotinas para medir a tensão da bateria e registrar dados de tempo de operação. Coletem os dados para análise.

Projeto Conceitual de Energia¶

Análise de consumo energético do Micromouse, dimensionamento da fonte e planejamento do circuito de alimentação.

Premissas desta análise. Onde um parâmetro ainda não foi medido, foi adotado um valor de referência, indicado como [premissa], a ser substituído pelo valor real nos testes de energia (AP12).

Atuadores: 2 micromotores DC N20 com encoder, 6 V e 600 RPM, conforme o projeto conceitual de Estrutura. Substituem os motores de passo considerados na versão anterior deste documento.

Microcontrolador: ESP32 (placa DevKit), confirmado pela Eletrônica. A comunicação sem fio é processada nativamente pelo próprio SoC, sem módulo Bluetooth externo.

Sensores: 3 sensores de distância por tempo de voo (ToF), referência VL53L0X (1 frontal a 0° e 2 laterais a ±45°), posicionados a 25 mm do solo conforme o projeto conceitual de Estrutura.

Cenário de cálculo: uma tentativa de 10 minutos (600 s), conforme o limite de tempo do desafio. A autonomia é depois estendida para as três tentativas previstas por labirinto (RNF02 de Energia).

1. Identificação dos Subsistemas Elétricos¶

Tabela 1: Subsistemas elétricos e parâmetros de operação

Componente	Qtd.	Tensão de operação (V)	Corrente média (mA)	Tempo de uso (s)	Fonte do dado
Micromotor DC N20 com encoder	2	6,0	150 em cruzeiro (800 de pico em bloqueio)	185 a 600	Projeto conceitual de Estrutura, Tabela 3
Ponte H de acionamento	2 canais	—	—	185 a 600	Perdas tratadas como rendimento (item 2)
Encoder acoplado ao motor	2	3,3	8 cada	600	[premissa] encoder magnético de quadratura
ESP32 DevKit (processamento e comunicação)	1	5,0 (pino VIN)	120	600	[premissa] média entre transmissão (180 a 240 mA), recepção (95 a 100 mA) e modem-sleep (30 a 68 mA)
Sensor de distância ToF VL53L0X	3	3,3	20 cada (40 de pico)	600	Folha de dados do módulo
LED indicador de estado	1	5,0	10	60	[premissa] acionamento intermitente
Buzzer	1	5,0	30	10	[premissa] acionamento pontual

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

Sobre módulos de armazenamento de dados. O Micromouse não embarca cartão de memória nem memória externa. O mapa e o estado da execução são gravados na memória flash interna do próprio ESP32 (NVS, conforme o RF42 do Software), e os dados da execução são transmitidos ao sistema web e ali armazenados em banco (RF33 do Software). Como a flash é interna ao SoC, seu consumo já está contido na corrente do ESP32.

Observação sobre os motores DC. Diferentemente dos motores de passo, os motores DC consomem corrente apenas quando estão em movimento, e essa corrente é proporcional ao torque exigido. Com o robô parado, o consumo do acionamento cai a zero. Por isso o tempo de uso considerado não é o da tentativa inteira, e sim o tempo em que o robô efetivamente se desloca, tratado em dois cenários na seção 3.

Observação sobre a tensão dos sensores. As entradas do ESP32 operam em 3,3 V. Os módulos VL53L0X comunicam por I²C e devem ser alimentados em 3,3 V, mesma tensão dos encoders, de modo que nenhum conversor de nível é necessário nas linhas de sinal.

2. Cálculo da Energia Consumida por Componente¶

2.1 Motores DC e acionamento¶

A corrente de um motor DC é aproximadamente proporcional ao torque exigido. O projeto conceitual de Estrutura estima 150 mA por motor em cruzeiro, valor já conservador em relação aos 140 mA calculados para a aceleração de projeto.

Com dois motores a 6,0 V:

\[P_{motores} = 2 \times 6{,}0 \times 0{,}150 = 1{,}80\ \text{W}\]

Considerando rendimento de 85% na ponte H e na adequação de tensão a partir do barramento de 7,4 V:

\[P_{entrada} = \frac{1{,}80}{0{,}85} = 2{,}12\ \text{W}\]

Na forma \(E = V \cdot I \cdot t\), vista do lado da fonte de 7,4 V, a corrente equivalente do conjunto de tração é:

\[I_{equivalente} = \frac{2{,}12}{7{,}4} = 0{,}286\ \text{A}\]

Para o tempo de percurso estimado pela Estrutura, de 185 s:

\[E_{motores} = 7{,}4 \times 0{,}286 \times 185 = 392\ \text{J}\]

Para o pior caso, em que o robô se desloca durante toda a tentativa de 600 s:

\[E_{motores} = 7{,}4 \times 0{,}286 \times 600 = 1.271\ \text{J}\]

Corrente de pico. Com as duas rodas travadas, a corrente de bloqueio chega a 0,80 A por motor, ou 1,60 A no conjunto, o que corresponde a 9,6 W na saída e cerca de 1,53 A drenados da fonte de 7,4 V. Essa condição é transitória, mas define o dimensionamento da ponte H, do fusível e do C-rating da bateria.

2.2 Demais componentes¶

Aplicando \(E = V \cdot I \cdot t\):

Tabela 2: Energia consumida pelos demais componentes

Componente	V (V)	I (A)	P (W)	t (s)	E (J)
ESP32 DevKit	5,0	0,120	0,600	600	360,0
Sensores ToF (3 × VL53L0X)	3,3	0,060	0,198	600	118,8
Encoders (2 unidades)	3,3	0,016	0,053	600	31,7
LED indicador	5,0	0,010	0,050	60	3,0
Buzzer	5,0	0,030	0,150	10	1,5
Subtotal na saída dos reguladores					515,0

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

Considerando rendimento de 85% nos reguladores da linha lógica:

\[E_{lógica} = \frac{515{,}0}{0{,}85} = 605{,}9\ \text{J}\]

O ESP32 responde por 70% do consumo da lógica. Vale registrar que a placa DevKit alimenta o SoC de 3,3 V a partir dos 5 V do pino VIN por meio de um regulador linear embarcado, o que descarta cerca de um terço dessa energia em calor. Alimentar o SoC diretamente pela linha de 3,3 V reduziria o consumo, mas contorna as proteções da placa, e por isso a alimentação por VIN foi mantida.

3. Estimativa do Consumo Total de Energia¶

O consumo é apresentado em dois cenários de tempo de deslocamento.

Tabela 3: Consumo total de energia por subsistema

Subsistema	Percurso estimado (185 s de deslocamento)	Pior caso (600 s de deslocamento)
Motores DC e acionamento	392 J (39,3%)	1.271 J (67,7%)
Lógica (ESP32, sensores ToF, encoders e sinalização)	606 J (60,7%)	606 J (32,3%)
Total por tentativa de 10 min	998 J	1.877 J
Equivalente em watt-hora	0,277 Wh	0,521 Wh

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

Para as três tentativas previstas por labirinto, conforme o RNF02 de Energia:

\[E_{desafio} = 3 \times 0{,}521 = 1{,}56\ \text{Wh (pior caso)}\]

O dimensionamento adota o pior caso, de 1,56 Wh, por não depender da estimativa de tempo de percurso.

Conclusão da análise. A troca dos motores de passo por motores DC com encoder inverteu o quadro do consumo. Com os motores de passo, o acionamento respondia por 81,5% da energia; agora, no cenário de percurso estimado, os motores ficam em 39,3% e a lógica passa a ser o maior consumidor. A razão é que o motor DC drena corrente apenas quando se desloca, enquanto o motor de passo drenava corrente nominal mesmo parado.

Dentro da lógica, o ESP32 é o item dominante. Duas medidas reduzem esse consumo e devem ser avaliadas com a Eletrônica: manter o rádio em modem-sleep entre os envios de telemetria e colocar os sensores ToF em modo de espera quando o robô estiver parado.

3.1 Resistência equivalente vista pela fonte¶

Para resumir o circuito inteiro numa fonte e numa única carga, cada componente é representado pela resistência que apresenta no seu ponto de operação, \(R = V / I\). Esse valor só vale naquele ponto: o motor DC tem força contraeletromotriz, e sua resistência aparente muda com a rotação (a de bloqueio é a do próprio enrolamento); o ESP32, os sensores e os encoders ficam atrás de reguladores e consomem potência quase constante, de modo que a corrente que puxam da fonte sobe quando a tensão da bateria cai.

Como os componentes operam em tensões diferentes (6,0 V, 5,0 V e 3,3 V), suas resistências não podem ser associadas diretamente. Cada uma é primeiro refletida para o barramento da bateria pela potência que exige dele, já com o rendimento de 85% da ponte H e dos reguladores (seção 2):

\[R_{refletida} = \frac{V_{bateria}^2}{P_{saída} / \eta}\]

Refletidas para a mesma tensão, as cargas ficam todas em paralelo sobre a bateria e se associam como resistores comuns.

Tabela 3.1: Resistência de cada componente e refletida para a bateria de 7,4 V

Componente	Qtd.	V (V)	I (mA)	R própria = V/I	P na saída (W)	P na bateria (W)	R refletida do grupo
Motor N20 em cruzeiro	2	6,0	150 cada	40 Ω	1,80	2,12	25,8 Ω
ESP32 DevKit (VIN)	1	5,0	120	41,7 Ω	0,600	0,706	77,6 Ω
Sensor ToF VL53L0X	3	3,3	20 cada	165 Ω	0,198	0,233	235 Ω
Encoder	2	3,3	8 cada	412 Ω	0,053	0,062	880 Ω
Divisor do ADC (22 kΩ + 10 kΩ)	1	7,4	0,23	32 kΩ	—	0,002	32 kΩ
Circuito em operação		7,4	422			3,12	17,5 Ω
LED indicador (intermitente)	1	5,0	10	500 Ω	0,050	0,059	931 Ω
Buzzer (pontual)	1	5,0	30	167 Ω	0,150	0,176	311 Ω
Motor N20 com a roda travada	2	6,0	800 cada	7,5 Ω	9,60	11,29	4,85 Ω

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

Associando em paralelo as cargas que operam continuamente:

\[\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{25{,}8} + \frac{1}{77{,}6} + \frac{1}{235} + \frac{1}{880} + \frac{1}{32.000} \quad\Rightarrow\quad R_{eq} \approx 17{,}5\ \Omega\]

\[I = \frac{7{,}4}{17{,}5} = 0{,}42\ \text{A} \qquad P = \frac{V^2}{R_{eq}} = \frac{7{,}4^2}{17{,}5} = 3{,}12\ \text{W}\]

O circuito inteiro equivale, portanto, a uma resistência de cerca de 17,5 Ω ligada à bateria, consumindo 3,1 W. A corrente de 0,42 A confere com a corrente média usada no dimensionamento da bateria. O LED e o buzzer ficam fora do paralelo por serem acionados por poucos segundos; somados, elevariam a corrente a 0,45 A.

Pior caso, com as duas rodas travadas: os motores passam a 4,85 Ω refletidos, e o conjunto com a lógica cai para cerca de 4,4 Ω, ou 1,66 A drenados da bateria, abaixo do hold de 2,0 A do PTC (Tabela 9).

Variação com a carga da bateria. Como as cargas consomem potência quase constante (os motores também, já que o limite de PWM da Tabela 8 mantém 6 V médios neles), a resistência equivalente acompanha o quadrado da tensão: cerca de 22,6 Ω (0,37 A) com a bateria cheia, em 8,4 V, e 15,7 Ω (0,45 A) perto do corte, em 7,0 V. Os valores serão conferidos no teste 2.2 da página 7.2 - Testes de energia, que mede a tensão e a corrente de cada componente.

4. Escolha da Fonte de Alimentação¶

4.1 Margem de segurança adotada¶

Duas correções se aplicam sobre a energia calculada:

Profundidade de descarga (DoD). Baterias de lítio não devem ser descarregadas abaixo de cerca de 3,5 V por célula sob carga, o que torna utilizável aproximadamente 80% da capacidade nominal. Descargas mais profundas causam perda permanente de capacidade e aumento da resistência interna.

Margem de projeto. A prática usual em robótica móvel é dimensionar com 25% a 30% de folga sobre o consumo calculado [4], e o RNF03 de Energia exige no mínimo 30%. Adotou-se 30%. A Tabela 4 mostra de onde vem esse valor: cada parcela cobre uma fonte de incerteza que o cálculo acima não considera.

Tabela 4: Composição da margem de segurança

Fator	Por que reduz a energia disponível	Parcela estimada
Erro na estimativa de consumo	O consumo foi calculado sem medição em bancada: o ESP32 com Bluetooth e os picos dos ToF vêm de folhas de dados e de medições de terceiros [2], [3], e o rendimento de 85% dos reguladores é estimado. É a maior incerteza do cálculo.	10% a 15%
Envelhecimento da bateria	A LiPo perde capacidade a cada ciclo de carga; o fim de vida costuma ser definido em 80% da capacidade nominal [9]. Com os testes e as provas do semestre, espera-se uma perda de 5% a 10% até a apresentação final.	5% a 10%
Temperatura	A capacidade cai em ambientes frios [10]. O robô opera em sala, entre 20 °C e 25 °C, então o efeito é pequeno.	0% a 5%
Taxa de descarga	Correntes altas reduzem a capacidade entregue [11]. Em regime a corrente é baixa (0,43 A, cerca de 0,9C), mas os picos de bloqueio das rodas chegam a 1,53 A.	2% a 5%
Total		17% a 35%

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

A soma das parcelas fica entre 17% e 35%. Os 30% adotados ficam na parte de cima dessa faixa, porque o maior fator, o erro na estimativa de consumo, só será conhecido com a medição em bancada (seção 7.2). Uma margem maior exigiria uma bateria maior, com mais massa sobre um robô limitado a 16,5 cm, sem ganho real, já que a bateria escolhida ainda tem folga além da margem (seção 4.4).

A margem não repete a correção de DoD. A DoD é um limite de uso que vale sempre, mesmo com consumo exato; a margem cobre o que o cálculo pode ter errado.

\[E_{fonte} = \frac{E_{desafio}}{0{,}80} \times 1{,}30 = \frac{1{,}56}{0{,}80} \times 1{,}30 = 2{,}54\ \text{Wh}\]

4.2 Capacidade necessária por opção de fonte¶

Tabela 5: Capacidade necessária por opção de fonte

Fonte	Tensão nominal	Corrente média	Capacidade necessária	Avaliação
4 × pilhas AA alcalinas	6,0 V	0,52 A	424 mAh	Viável em regime, com ressalva no pico
LiPo 2S	7,4 V	0,42 A	343 mAh	Recomendada
LiPo 3S	11,1 V	0,28 A	229 mAh	Viável, porém desnecessária

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

4.3 Verificação das pilhas AA¶

Em regime de cruzeiro, com 0,52 A a 6,0 V, quatro pilhas AA em série apresentam queda de 0,3 a 0,6 V sobre a resistência interna somada de 0,6 a 1,2 Ω. A tensão sob carga permanece entre 5,4 e 5,7 V, e a capacidade necessária de 424 mAh é confortável diante dos cerca de 2.000 mAh nominais.

Ressalva no pico. Na condição de bloqueio das rodas, com 1,6 A, a queda sobe para 1,0 a 1,9 V e a tensão despenca para a faixa de 4,1 a 5,0 V, ou cerca de 3,7 a 4,6 V depois da queda do diodo de proteção (seção 5.3). Nessa situação o conversor buck-boost ainda sustenta os 5 V da lógica, desde que aceite entrada a partir de 3,5 V (Tabela 7), mas a tensão disponível para os motores cai, e o robô pode não conseguir se desprender sozinho de um travamento. Esse é o argumento técnico que sustenta a LiPo como fonte principal e as pilhas como alternativa de contingência.

4.4 Fonte selecionada¶

Bateria LiPo 2S (7,4 V), 650 mAh, com C-rating mínimo de 20C, com o pacote de 4 pilhas AA mantido como fonte alternativa, selecionável por jumper conforme o RF03 de Energia. O modelo adotado na compra é a Tattu 650 mAh 2S 75C, com conector de força XT30 e plugue de balanceamento JST-XH [12].

Tabela 6: Verificação da fonte selecionada

Critério	Valor exigido	Valor da fonte escolhida
Energia disponível	2,60 Wh	4,81 Wh (7,4 V × 0,65 Ah)
Corrente média em operação	0,43 A	—
Corrente de pico	1,53 A (bloqueio das duas rodas)	≈ 49 A (0,65 Ah × 75C)
Autonomia resultante	30 min	≈ 72 min no pior caso de deslocamento
Massa e dimensões	—	43 g; 57 × 31 × 12 mm

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

Folga real. A bateria entrega mais do que a margem pede: 4,81 Wh contra 2,60 Wh, ou 85% acima do valor que já inclui os 30%. Descontada só a DoD, a energia utilizável é de 3,85 Wh (4,81 × 0,80), mais que o dobro dos 1,60 Wh do pior caso. Mesmo que todas as parcelas da Tabela 4 ocorram no limite superior, a autonomia de 30 min fica garantida.

Por que 650 mAh. O cálculo pede no mínimo 352 mAh. A versão 1.2 deste documento reduziu a capacidade de 800 para 500 mAh, acompanhando a queda do consumo. Na cotação, porém, as baterias de 500 mAh encontradas eram peças de reposição de brinquedos e de airsoft, sem taxa de descarga informada e com conectores próprios desses aparelhos. A de 650 mAh é o menor tamanho de marca conhecida, com especificação completa e à venda no Brasil, pelo mesmo preço da de 800 mAh. A escolha acrescenta cerca de 13 g em relação à de 500 mAh: a bateria passa a representar 21% da massa alvo de 200 g definida pela Estrutura, em vez de 15%, e ainda fica abaixo da de 800 mAh.

Conector de força. A bateria é ligada ao robô por um conector, e não soldada, porque precisa ser retirada para a recarga e trocada pelo pacote de pilhas entre tentativas (RF06 e RF07 de Energia). O XT30 foi adotado por três motivos: é o conector que já vem na bateria escolhida; tem formato assimétrico, que impede o encaixe invertido e complementa o diodo de proteção de polaridade (seção 5.3); e suporta cerca de 15 A contínuos, muito acima do pico de 1,53 A, como pede o item 2.5 da EAP. O XT60, previsto antes, suporta 60 A e é maior e mais pesado, sem ganho nesta faixa de corrente. São necessários dois conectores: um na entrada do robô e outro, do lado oposto, soldado ao suporte das pilhas AA, de modo que as duas fontes usem a mesma entrada.

Recarga. O carregador IMAX B3 carrega pelo plugue de balanceamento, com corrente de cerca de 0,75 A, o que corresponde a 1,2C nesta bateria. Fica um pouco acima do 1C usual, dentro do aceito para LiPo de modelismo, e completa a carga em cerca de uma hora.

A LiPo 2S foi mantida sobre a 3S porque os motores são de 6 V, e partir de 11,1 V exigiria descartar mais tensão na adequação, sem nenhum ganho.

4.5 Verificação do torque disponível¶

O motor N20 selecionado entrega 0,0245 N·m de torque de bloqueio por unidade. O projeto conceitual de Estrutura calcula, para a massa de 200 g e a aceleração de projeto de 1,6 m/s², um torque exigido de 0,00272 N·m por motor, ou 11% do torque de bloqueio.

Mesmo que a massa final chegue a 300 g, a exigência sobe para cerca de 17% do torque de bloqueio. A margem é ampla, bem diferente da situação estreita que existia com o motor de passo Nema 8, cujo torque de retenção de 1,4 N·cm deixava pouca folga.

Vale registrar a consequência energética dessa folga: como a corrente do motor DC acompanha o torque, operar a 11% do bloqueio mantém a corrente próxima dos 150 mA estimados, e não das centenas de miliampères que um motor sobrecarregado drenaria.

4.6 Verificação geométrica do giro dentro da célula¶

A célula do labirinto tem 180 mm com paredes de 12 mm de espessura, restando 168 mm de vão livre. O chassi mede 92 × 103 mm, o que resulta em uma diagonal de:

\[d = \sqrt{92^2 + 103^2} = 138{,}1\ \text{mm}\]

O projeto conceitual de Estrutura posiciona os motores transversalmente no centro do chassi, de modo que o eixo de rotação coincide com o centro geométrico. Nessa condição o diâmetro varrido no giro é a própria diagonal, e restam 29,9 mm de folga, cerca de 15 mm por lado.

Essa definição resolve a questão levantada na versão anterior deste documento: se o eixo das rodas estivesse deslocado para a frente, o raio até os cantos traseiros cresceria e, com o eixo a menos de 35 mm da frente, o diâmetro varrido ultrapassaria os 168 mm disponíveis. Com o eixo centralizado, a condição está satisfeita com margem.

A largura total com as rodas é de 99 mm, também dentro do limite, deixando 34,5 mm de folga por lado no corredor.

5. Planejamento do Circuito de Alimentação¶

5.1 Arquitetura adotada: barramentos separados¶

Imagem 1: Arquitetura do circuito de alimentação

flowchart TB
    LIPO["LiPo 2S<br/>7,4 V · 650 mAh"] --> JMP
    AA["4 × pilhas AA<br/>6,0 V"] --> JMP
    JMP["Jumper de seleção<br/>(uma fonte por vez)"] --> PROT["Chave geral<br/>+ proteção de polaridade<br/>+ PTC (hold 2,0 A / trip 3,5 A)"]

    subgraph POT["Barramento de potência"]
        PH["Ponte H dupla"] --> MOT["2 × motor N20<br/>6 V"]
    end

    subgraph LOG["Barramento lógico"]
        BB["Buck-boost 5 V"] --> LDO["LDO 3,3 V"]
    end

    PROT --> PH
    PROT --> BB
    PROT -. "divisor 22 kΩ / 10 kΩ<br/>+ 100 nF" .-> ESP
    BB -- "5 V (VIN)" --> ESP["ESP32 DevKit"]
    LDO -- "3,3 V" --> SENS["3 sensores ToF<br/>+ 2 encoders"]
    ESP -- "PWM + STBY" --> PH

Os dois barramentos compartilham o terra, com os retornos encontrando-se em um único ponto (seção 5.4). A linha tracejada é a medição da tensão da fonte (seção 6.1).

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

Isolamento dos atuadores. A separação entre potência e lógica é o ponto central do circuito, e atende diretamente ao RNF01 de Energia. Os motores são a origem dos picos de corrente; mantê-los em barramento próprio impede que essas variações cheguem ao microcontrolador e aos sensores.

Com motores DC de escovas, essa separação ganha um motivo adicional: o comutador gera ruído elétrico de banda larga que pode contaminar as leituras dos sensores e a contagem dos encoders. O projeto conceitual de Estrutura já prevê capacitores cerâmicos de cerca de 100 nF nos terminais dos motores, medida que complementa a separação de barramentos.

O isolamento adotado é elétrico por barramento, e não galvânico por optoacoplador. A opção se justifica porque os sinais de PWM e de encoder precisam de referência comum entre microcontrolador e driver, e porque o isolamento galvânico acrescentaria componentes, consumo e atraso de propagação sem ganho proporcional em um sistema de baixa tensão como este.

O jumper de seleção deve ser do tipo que impede a conexão simultânea das duas fontes, conforme o RF03 de Energia.

5.2 Reguladores de tensão¶

Tabela 7: Reguladores de tensão

Linha	Tensão	Corrente mínima	Tipo recomendado	Justificativa
Alimentação do ESP32 (pino VIN)	5 V	500 mA	Conversor buck-boost	Precisa entregar 5 V tanto a partir de 7,4 V da LiPo quanto de uma entrada que cai abaixo de 5 V com as pilhas descarregando. A corrente é dimensionada para os picos de transmissão do rádio, que chegam a 240 mA
Sensores ToF e encoders	3,3 V	200 mA	Regulador LDO a partir dos 5 V	Três ToF a 20 mA e dois encoders a 8 mA, com margem para os picos de 40 mA dos sensores
Motores	6 V efetivos	2 A	Ponte H com controle por PWM	A tensão média de 6 V é obtida limitando o ciclo de trabalho do PWM em função da tensão medida no barramento, sem necessidade de regulador dedicado

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

A escolha do buck-boost é o que viabiliza o requisito de múltiplas fontes: sem ele, a linha lógica funcionaria com a LiPo mas falharia com as pilhas na segunda metade da descarga.

Sobre a tensão dos motores. Os N20 são de 6 V, mas a tensão do barramento de potência não é fixa: vai de 8,4 V com a LiPo plenamente carregada até 7,0 V no corte, e fica perto de 6,0 V com as pilhas. Um limite fixo de ciclo de trabalho não serve para toda essa faixa. Os 81% calculados para a tensão nominal de 7,4 V aplicariam 6,8 V aos motores com a bateria cheia, 13% acima do nominal.

Como o controle já é feito por PID com saída em PWM e a tensão da fonte já é medida (seção 6), o limite passa a ser calculado a partir da tensão lida:

\[D_{máx} = \min\left(\frac{6{,}0\ \text{V}}{V_{bateria}},\ 1\right)\]

Tabela 8: Limite de ciclo de trabalho pela tensão da fonte

Situação da fonte	Tensão no barramento	Ciclo de trabalho máximo
LiPo plenamente carregada	8,4 V	71%
LiPo na tensão nominal	7,4 V	81%
LiPo no corte por subtensão	7,0 V	86%
Pacote de 4 pilhas AA	6,0 V ou menos	100%

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

O limite é recalculado a cada nova média de tensão (seção 6.2) e aplicado no firmware sobre a saída do PID, e não deixado a cargo apenas do controlador. Uma vantagem secundária é que o robô mantém o mesmo desempenho do início ao fim da descarga, já que a tensão média nos motores deixa de cair junto com a bateria.

5.3 Proteções¶

Tabela 9: Proteções do circuito de alimentação

Proteção	Implementação	Ponto de atuação
Sobrecorrente e curto-circuito	Fusível rearmável (PTC) na saída da fonte	Hold de 2,0 A e trip de 3,5 a 4,0 A (referência: Bourns MF-MSMF200, SMD; adotado na compra: JK30-200, PTH, 30 V)
Inversão de polaridade	Diodo Schottky SS34 (3 A, 40 V) em série na entrada, o mesmo do esquemático da Eletrônica [8]. A queda de 0,3 a 0,4 V é compensada pelo limite de PWM, que é calculado pela tensão medida, e somada à leitura nos limites de alerta e corte (seção 6.1)	Evita dano na troca de bateria ou de pilhas entre tentativas
Descarga profunda da LiPo	Corte por subtensão feito pelo firmware, em 3,5 V por célula (7,0 V no pacote 2S), precedido de alerta em 3,7 V por célula (7,4 V)	Preserva a vida útil e evita risco de segurança
Bloqueio prolongado do motor	Detecção por software: encoder parado com PWM ativo por mais de 1 s	Desliga a ponte H e registra a falha como `stuck` (RF15 do Software)
Desenergização em repouso	Pino de standby da ponte H	Acionado sempre que o robô estiver parado ou aguardando comando
Sobretensão nos motores	Limite de ciclo de trabalho do PWM calculado pela tensão medida (Tabela 8)	Mantém a tensão média nos motores em até 6 V em toda a faixa de 6,0 a 8,4 V do barramento

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

A proteção contra bloqueio prolongado merece atenção especial. Ao contrário do motor de passo, que simplesmente perde passos, o motor DC travado drena a corrente de bloqueio continuamente, aquecendo motor e ponte H. Como o encoder informa se o eixo está girando, a detecção é direta em software, e a implementação é de baixo custo.

Escolha do PTC. O fusível rearmável é especificado por duas correntes: a de hold, até a qual ele garantidamente não abre, e a de trip, a partir da qual ele garantidamente abre. O hold de 2,0 A fica acima do pico de 1,53 A do bloqueio das duas rodas, de modo que um travamento transitório não desliga o robô. O trip, de 3,5 A no MF-MSMF200 e de 4,0 A no JK30-200 adotado, fica bem abaixo da corrente que a LiPo é capaz de entregar (cerca de 49 A, 0,65 Ah × 75C), de modo que um curto-circuito é interrompido antes de danificar a fiação ou a bateria. Entre o hold e o trip o comportamento depende da temperatura e do tempo, faixa que só é atingida em falha. O JK30-200 foi adotado por ser PTH, mais fácil de soldar na placa perfurada que o MF-MSMF200, que é SMD.

O corte por subtensão é feito pelo firmware, a partir da leitura da seção 6: o esquemático da Eletrônica não tem circuito de corte dedicado. Um circuito desse tipo, ou uma bateria com placa de proteção embutida, protegeria a LiPo mesmo se o firmware travasse, e fica como melhoria caso os testes mostrem necessidade. Para que o aviso chegue de fato antes, o alerta fica em 3,7 V por célula (7,4 V), acima do corte em 3,5 V por célula (7,0 V). Na região final da curva de descarga da LiPo, essa diferença de 0,4 V no pacote corresponde a alguns minutos de operação, tempo suficiente para encerrar a tentativa em curso e trocar a bateria.

5.4 Controle das oscilações de tensão¶

Os picos de corrente dos motores e o ruído das escovas são as principais fontes de instabilidade. Cinco medidas atuam sobre isso:

Capacitores cerâmicos de 100 nF nos terminais de cada motor, conforme já previsto pela Estrutura, para suprimir o ruído gerado pelo comutador na origem.
Capacitor eletrolítico de desacoplamento na entrada da ponte H. Valor típico de 100 µF, posicionado o mais próximo possível do driver, para fornecer a corrente dos transitórios de partida sem puxá-la da fonte.
Capacitores cerâmicos de 100 nF junto aos pinos de alimentação do ESP32 e de cada sensor ToF. Junto ao ESP32, acrescentar um eletrolítico de 100 µF para sustentar os picos de transmissão do rádio.
Capacitor de saída no conversor buck-boost, conforme a folha de dados do componente escolhido, para atenuar o ripple de chaveamento.
Traçado de terra em estrela, com os retornos de potência e de lógica encontrando-se em um único ponto, próximo ao terminal negativo da fonte, e separação física entre os fios dos motores e os dos sensores.

Critério de aceitação: a tensão da linha lógica não deve variar além de ±5% do valor nominal durante os picos de corrente, e o microcontrolador não deve reiniciar em nenhuma manobra. A verificação é feita com osciloscópio na linha de 5 V, com o robô executando giros e reversões, que são os piores casos.

6. Monitoramento via Software¶

6.1 Circuito de medição¶

A leitura é feita por divisor resistivo entre o positivo da fonte e uma entrada analógica do ESP32, dimensionado para a maior tensão possível na entrada: 8,4 V, que é a tensão de um pacote LiPo 2S plenamente carregado.

O ADC do ESP32 opera na faixa de 0 a 3,3 V, e não de 0 a 5 V. A razão de divisão mínima é, portanto, 8,4 / 3,3 = 2,55. Adota-se o mesmo divisor já previsto pela Eletrônica no projeto conceitual de hardware, com razão 3,2:

R1 = 22 kΩ, R2 = 10 kΩ → razão 3,2 → 8,4 V lidos como 2,63 V
Corrente pelo divisor: 8,4 / 32 kΩ = 0,26 mA (consumo desprezível)
Capacitor de 100 nF em paralelo com R2, para filtrar o ruído das escovas dos motores

Queda do diodo de proteção. No esquemático da Eletrônica o divisor fica depois do diodo SS34, que protege também o ADC contra a inversão de polaridade. Por isso a tensão lida é a da bateria menos a queda do diodo, de 0,3 a 0,4 V conforme a corrente. Sem correção, o corte de 7,0 V só dispararia com a bateria em cerca de 7,35 V, e o alerta, com ela já perto de 7,75 V. O firmware soma a queda à leitura antes de comparar com os limites, com valor inicial de 0,35 V calibrado nos testes de energia (7.2). O limite de PWM (Tabela 8) usa a leitura sem essa soma, porque a ponte H também recebe a tensão já depois do diodo.

Tabela 10: Tensões na entrada do ADC

Ponto	Tensão da fonte	Depois do SS34 (−0,35 V)	Tensão no ADC
LiPo plenamente carregada	8,4 V	8,05 V	2,52 V
Alerta de carga mínima da LiPo	7,4 V	7,05 V	2,20 V
Corte por subtensão da LiPo	7,0 V	6,65 V	2,08 V
Pilhas AA novas	6,0 V	5,65 V	1,77 V
Alerta de carga mínima das pilhas	5,0 V	4,65 V	1,45 V

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

O mesmo divisor serve para as duas fontes. O firmware precisa saber qual fonte está ativa para converter a tensão em percentual de carga pela curva correta.

O ADC do ESP32 tem não linearidade conhecida nos extremos da faixa: com a atenuação máxima, a resposta é mais linear entre cerca de 0,15 e 2,45 V. Os pontos que disparam decisões, o alerta e o corte, ficam dentro dessa região (2,20 V e 2,08 V); apenas a leitura da bateria plenamente carregada fica um pouco acima dela, onde um pequeno erro não altera nenhuma ação do robô. Ainda assim, a não linearidade reforça a necessidade da média móvel prevista na seção 6.2 e de uma calibração por dois pontos contra multímetro durante os testes de energia.

6.2 Rotinas embarcadas¶

Tabela 11: Rotinas embarcadas de monitoramento da bateria

Rotina	O que faz	Requisito atendido
Leitura periódica da tensão	Amostra a entrada analógica em intervalo fixo e aplica média móvel de pelo menos 8 amostras, para descartar o ruído das escovas	RF23 do Software
Conversão para nível de carga	Converte a tensão lida em percentual de carga, pela curva de descarga da fonte ativa	RF11 do Backend
Contagem do tempo de operação	Registra o tempo decorrido desde o início da execução	RF13 do Backend
Alerta de carga mínima	Aciona o LED e o buzzer ao atingir o limite da fonte ativa: 3,7 V por célula na LiPo (7,4 V, acima do corte de 7,0 V), ou 5,0 V no pacote de pilhas	RF05 de Energia, RF25 do Software
Bloqueio de partida	Reprova o health-check se a carga estiver abaixo do mínimo para uma tentativa	RF29 do Software
Envio na telemetria	Inclui o nível de bateria em cada mensagem enviada ao sistema web	RF24 do Software
Desenergização em repouso	Aciona o standby da ponte H sempre que o robô estiver parado ou aguardando comando	RF39 e RF41 do Software
Detecção de bloqueio	Compara a contagem do encoder com o PWM aplicado e desliga o acionamento se o eixo não girar	RF15 do Software
Limite de ciclo de trabalho	Recalcula o PWM máximo como 6,0 V dividido pela tensão medida, a cada nova média, para não exceder os 6 V nominais dos motores (Tabela 8)	RF21 do Software

Fonte: João Marcos e Giovana Martins, 2026.

6.3 Dados a coletar para análise¶

Situação atual: a coleta ainda não foi realizada, pois depende da montagem do protótipo. O plano de coleta abaixo será executado nos testes de energia (AP12), e os resultados substituirão as premissas desta análise.

Devem ser registrados, a cada execução:

Tensão da fonte no início e no fim da tentativa
Tempo total de operação até atingir a tensão de corte
Corrente média medida, para comparação com os 0,42 A estimados na LiPo 2S
Corrente média por motor em cruzeiro, para verificar a estimativa de 150 mA
Corrente média do ESP32 isolada, para verificar a premissa de 120 mA
Tempo efetivo de deslocamento dentro da tentativa, para verificar a estimativa de 185 s
Ocorrência de reinicializações do microcontrolador
Comportamento com cada uma das duas fontes, para validar o requisito de seleção

Referências Bibliográficas¶

1. Projeto Conceitual da Estrutura e Atuadores, Grupo 01, 2026 (Tabelas 1 a 5)

2. Folha de dados do sensor VL53L0X e consumo do módulo em medição, Pololu e STMicroelectronics

3. Consumo de corrente do ESP32 em transmissão, recepção e modem-sleep, Last Minute Engineers

4. Prática de margem de 25% a 30% e verificação de C-rating em robótica móvel, Robotics Engineering Lab

5. Limite de descarga e capacidade utilizável de 80% em baterias LiPo, Zbotic

6. Folha de dados do fusível rearmável MF-MSMF200 (hold de 2,0 A e trip de 3,5 A), Bourns

7. Faixa de medição do ADC do ESP32 por atenuação, Espressif

8. Projeto Conceitual de Hardware, Grupo 01, 2026 (divisor de 22 kΩ / 10 kΩ e proteção da bateria)

9. BU-808: How to Prolong Lithium-based Batteries (perda de capacidade por ciclo e fim de vida em 80%), Battery University

10. BU-502: Discharging at High and Low Temperatures (capacidade em função da temperatura), Battery University

11. BU-501: Basics about Discharging (efeito da taxa de descarga na capacidade entregue), Battery University

12. Tattu 650 mAh 2S1P 75C 7,4 V com conector XT30 (capacidade, taxa de descarga, massa, dimensões e conectores), Helitec

Histórico de Versões¶

Versão	Data	Descrição	Autor(es)	Revisor(es)	Detalhes da revisão
1.0	26/09/2026	Criação do Projeto Conceitual de Energia: identificação dos subsistemas elétricos, cálculo do consumo por componente, estimativa do consumo total, escolha da fonte de alimentação, planejamento do circuito de alimentação e monitoramento via software #24.	João Marcos Moraes de Andrade	Giovana Martins de Brito	Revisão
1.1	28/09/2026	Atualização após as definições da Eletrônica: substituição do módulo HM-10 pelo ESP32 nativo, alimentação dos sensores em 3,3 V por compatibilidade com as entradas do ESP32 e redimensionamento do divisor do ADC para a faixa de 3,3 V #24.	João Marcos Moraes de Andrade	Giovana Martins de Brito	Revisão da troca do HM-10 pelo ESP32 e da nova faixa do divisor do ADC.
1.2	28/09/2026	Revisão completa após o projeto conceitual de Estrutura: substituição dos motores de passo Nema 8 por micromotores DC N20 com encoder, adoção de 4 sensores de distância ToF, recálculo do consumo em dois cenários de deslocamento, redução da capacidade da bateria de 800 para 500 mAh, inclusão do limite de PWM e da detecção de bloqueio, e confirmação da geometria de giro com o eixo centralizado #24.	João Marcos Moraes de Andrade	Giovana Martins de Brito	Revisão do recálculo do consumo com os motores N20, do novo dimensionamento da bateria e das proteções do acionamento.
1.3	03/10/2026	Correções técnicas: alerta de carga mínima da LiPo elevado para 3,7 V por célula, acima do corte de 3,5 V; limite de PWM calculado pela tensão medida no lugar dos 81% fixos; PTC especificado por hold de 2,0 A e trip de 3,5 A; divisor do ADC alinhado ao da Eletrônica (22 kΩ / 10 kΩ); diagrama de blocos refeito como figura #160.	João Marcos Moraes de Andrade	Giovana Martins de Brito	Revisão dos limites de alerta e corte, do limite de PWM e da especificação do PTC.
1.4	07/10/2026	Justificativa da margem de segurança de 30%, pedida pela professora: composição da margem por fator de incerteza (Tabela 4), relação com a DoD e folga real da bateria escolhida; proteção de polaridade alinhada ao diodo SS34 do esquemático da Eletrônica, no lugar do MOSFET de canal P, com a queda do diodo somada à leitura nos limites de alerta e corte (Tabela 10); buck-boost especificado para 1 A e entrada de 3,5 V a 8,4 V, já que alimenta também o LDO; corte por subtensão definido como função do firmware; tabelas seguintes renumeradas #184.	João Marcos Moraes de Andrade	Giovana Martins de Brito	Revisão da composição da margem e das referências.
1.4	08/10/2026	Passagem de 4 para 3 sensores ToF (1 frontal a 0° e 2 laterais a ±45°), confirmada com o professor em 07/10/2026: recálculo do consumo da lógica (605,9 J), do total por tentativa (1.877 J no pior caso), da energia exigida da fonte (2,54 Wh), da capacidade necessária por opção de fonte e da autonomia (≈ 57 min); a LiPo 2S de 500 mAh se mantém #192.	Christopher Paraizo	—	—
1.5	08/10/2026	Alinhamento à lista de compras: bateria de 500 para 650 mAh (Tattu 75C, 4,81 Wh, ≈ 72 min, 43 g), com a justificativa da escolha; conector de força XT30 justificado, no lugar do XT60; recarga pelo IMAX B3; PTC adotado JK30-200 (PTH), equivalente ao MF-MSMF200 #166.	João Marcos Moraes de Andrade	Giovana Martins de Brito	Revisão da bateria, do conector e do PTC adotados.
1.6	22/10/2026	Resistência equivalente vista pela fonte (seção 3.1), sugerida pela Eletrônica: resistência de cada componente no ponto de operação, refletida para o barramento da bateria pela potência, e associação em paralelo (≈ 17,5 Ω em operação e ≈ 4,4 Ω com as rodas travadas) #167.	João Marcos Moraes de Andrade, Giovana Martins de Brito	—	—