Plano de aulas · Versão econômica · Escolas do campo

Montando um robô de resgate com a turma

14 encontros de cerca de 100 minutos (duas aulas de 50 min) para cada grupo montar, programar e ensinar seu robô a reconhecer o caminho com TinyML. Cada encontro indica a seção do manual de montagem correspondente.

Público: 8º ano ao ensino médio
Grupos: 3 a 4 alunos por robô
Duração: 14 encontros · ~1 semestre
Computador: 1 para a turma basta

01 Visão geral

Cinco módulos, do conceito à mini-competição. Os encontros com desplugado funcionam sem computador nem energia elétrica.

Módulo 1

Começando

Encontros 1–2 · robôs, grupos, eletricidade

Módulo 2

Montagem

Encontros 3–7 · chassi, energia, sensores

Módulo 3

Programação

Encontros 8–10 · testes, seguir linha, manobras

Módulo 4

TinyML

Encontros 11–12 · dados, treino, comparação

Módulo 5

Desafio

Encontros 13–14 · garra e festival

Papéis no grupo

Cada aluno tem um papel por encontro, e os papéis trocam a cada encontro, para que todos passem por tudo. Escreva no quadro quem é quem no início da aula.

🔧 Mecânica

Cuida do chassi, rodas, fixação e garra. Guarda as ferramentas no fim.

⚡ Eletrônica

Faz as ligações e as medições com o multímetro. É quem confere a segurança antes de ligar a bateria.

💻 Programação

Grava o firmware, opera o monitor serial e ajusta os parâmetros.

📓 Dados e registro

Escreve o diário de bordo, anota medições e tentativas e, no módulo 4, coordena a coleta de dados para o TinyML.

Diário de bordo: um caderno simples por grupo. Em todo encontro, o grupo anota a data, o que fez, o que deu errado, como resolveu e uma foto ou desenho. Ele é a principal evidência de aprendizagem e a base da apresentação final.

02 Antes de começar

Preparação do professor, de preferência um mês antes do primeiro encontro.

1. Monte um robô sozinho primeiro

Montar um protótipo seguindo o manual mostra onde a turma vai travar e serve de modelo na sala. Conte com umas 6 horas.

2. Faça a compra coletiva

Veja a lista de compras. Peça componentes avulsos em pacotes e compre 10–20% a mais de TCRT5000, LEDs e LDRs: alguns queimam na montagem.

3. Prepare o computador com internet

Instale Python, PlatformIO e as bibliotecas de ml/requirements.txt, e compile o firmware uma vez. Depois disso, tudo funciona sem internet nesse computador.

4. Monte a pista

Papel branco (ou verso de cartazes) com fita isolante preta: uma reta, uma curva, um cruzamento com marcadores verdes, um gap e uma rampa (tábua com um livro embaixo).

5. Separe a estação de solda

Um local ventilado, com suporte para o ferro, esponja úmida e óculos. Só o professor ou monitor solda até os alunos treinarem.

6. Imprima

Use o botão Imprimir do manual e deste plano. Uma cópia do manual por grupo ajuda muito onde não há computador para todos.

Módulo 1

Começando

O que é um robô de resgate, formação dos grupos e eletricidade básica com segurança.

O que é um robô de resgate?

Entender para que servem robôs de resgate e como um robô “pensa”: sensores, decisão e movimento.

concluído

Roteiro

15 minConversa: que situações de perigo a turma conhece? Enchentes, queimadas, desabamentos, alguém perdido no mato. Onde um robô ajudaria?
10 minApresente a OBR e a modalidade Resgate: o robô segue uma linha, desvia de obstáculos, sobe rampa e resgata “vítimas”. Mostre o robô protótipo.
35 mindesplugado Robô humano: um aluno de olhos vendados é o robô; outro é o “programa” e só pode usar os comandos frente, para, vira esquerda, vira direita. O robô percorre uma linha de giz ou barbante no chão. Depois, troquem: o robô agora pode tocar a linha com o pé (um sensor!). Discutam a diferença.
25 minForme os grupos, explique os papéis e entregue o diário de bordo. Cada grupo dá um nome ao robô.
15 minFechamento: desenhem no diário o “ciclo do robô”: sensor → decisão → motor.

No campo: drones já procuram gado perdido e pessoas em áreas alagadas; máquinas agrícolas seguem linhas de plantio sozinhas. O princípio é o mesmo do robô da turma.

Materiais

Venda para os olhos, giz ou barbante
Robô protótipo
Um caderno por grupo

Entrega: grupos formados, nome do robô e o primeiro registro no diário.

Eletricidade sem medo

Montar circuitos simples, usar o multímetro e conhecer os cuidados com baterias de lítio.

concluído

Roteiro

15 minTensão, corrente e resistência com a analogia da água na mangueira: pressão, vazão e um aperto na mangueira.
30 minCada grupo acende um LED com pilha e resistor. Depois tenta sem resistor (com um LED sobrando, sob supervisão) para ver por que o resistor existe.
25 minMultímetro: medir a tensão de pilhas novas e usadas e testar continuidade de um fio. Anotar no diário.
10 minConta da Lei de Ohm: que resistor usar num LED vermelho no 5 V? Comparem com os 220 Ω do manual.
20 minSegurança com baterias 18650: leiam juntos a seção de segurança e criem as “regras da bancada” do grupo.

No campo: cerca elétrica, bomba d’água, painel solar e bateria de moto usam os mesmos conceitos. Peça aos alunos exemplos de casa.

Materiais

Pilhas AA e suporte
LEDs e resistores
Multímetro
Fios com garra jacaré

Entrega: tabela de medições no diário e as regras de segurança do grupo.

Manual: 02 · Segurança

Módulo 2

Montagem

Cada grupo monta o seu robô. Ao fim de cada encontro há um ponto de verificação: só avance quando ele estiver ok.

Chassi, motores e rodas

Montar a parte mecânica e calcular quanto o robô anda a cada volta da roda.

concluído

Roteiro

10 minApresente as peças do kit 2WD. O grupo confere tudo contra a lista.
50 minMontagem seguindo o manual: fios nos motores (professor solda), discos de encoder, motores no chassi, rodas, roda boba e sensores LM393.
25 minMatemática: meçam o diâmetro da roda e calculem a circunferência (π × d). Contem os furos do disco. Quanto o robô anda por furo? Comparem com o valor 10,2 mm do código.
15 minTeste: empurrar o robô numa reta. Ele vai reto? Se puxar para um lado, os eixos estão desalinhados.

No campo: a mesma conta mede área plantada com uma roda de medição ou calcula quantos metros a plantadeira percorreu.

Materiais

Kit chassi 2WD, 2 LM393
Chaves, régua
Ferro de solda (professor)

Verificação: rodas giram livres, chassi nivelado, disco não raspa no LM393.

Manual: 03 · Chassi e motores

Energia do robô

Montar a alimentação: bateria, chave, regulador 5 V e barramentos.

concluído

Roteiro

15 minExplique o diagrama de alimentação: por que três tensões diferentes (7,4 V, 5 V e 3,3 V)?
30 minAjuste do buck: cada grupo mede a saída e gira o trimpot até 5,0 V. O papel de Eletrônica confere com o multímetro.
40 minMontar bateria → chave → buck e os barramentos na placa perfurada. Soldar o capacitor de 470 µF (atenção à polaridade).
15 minMedir sem o ESP32: bateria e 5 V. Registrar no diário.

No campo: sistemas de energia solar fazem o mesmo caminho: painel → controlador → bateria → regulador → aparelhos.

Materiais

Baterias, suporte, BMS, chave
Buck MP1584, capacitor
Placa perfurada, multímetro

Verificação: 5,0 V medido na saída do buck, sem nenhum curto entre os barramentos.

Manual: 05 · Alimentação

Os olhos do robô: sensores de linha

Entender a reflexão da luz e montar a placa com os 6 TCRT5000.

concluído

Roteiro

20 mindesplugado Com uma lanterna, iluminem papel branco e fita preta em ângulo e observem a luz refletida na parede. O preto “engole” a luz. O TCRT5000 faz isso com luz infravermelha, invisível. Dica: a câmera do celular mostra o LED infravermelho aceso.
15 minOficina de solda: o professor demonstra e cada aluno treina numa sobra de placa antes de soldar no robô.
50 minMontar a placa dos 6 sensores com 12–14 mm entre centros e os resistores de 220 Ω e 10 kΩ.
15 minMedir com o multímetro a saída de um sensor sobre o branco e sobre o preto. A tensão muda?

No campo: sensores ópticos parecidos contam sementes na plantadeira e separam grãos por cor nas máquinas de beneficiamento.

Materiais

6 TCRT5000, resistores
Placa perfurada, ferro de solda
Lanterna, celular

Verificação: os 6 sensores mudam de tensão entre branco e preto.

Manual: 06 · Ligações

Por que a folha é verde? Sensor de cor caseiro

Entender cor como luz refletida e montar o sensor de cor com LED RGB e LDR.

concluído

Roteiro

20 mindesplugado Num lugar escuro, iluminem uma folha verde com luz vermelha, verde e azul (papel celofane na lanterna). Sob qual luz ela fica mais clara? É assim que o robô vai “ver” o verde: acende uma cor por vez e mede quanto volta.
20 minExplique o circuito: transistores como interruptores e o LDR como resistor que muda com a luz.
45 minMontar os capuzes (tampa de caneta, canudo, EVA preto), a divisória, os LEDs, os LDRs e os 3 transistores.
15 minMedir a tensão do LDR coberto e descoberto.

No campo: planta doente ou com falta de água reflete a luz de forma diferente. Drones e satélites usam isso para encontrar problemas na lavoura antes de o olho perceber.

Materiais

2 LEDs RGB anodo comum, 2 LDRs
3 BC547, resistores
Celofane colorido, lanterna
Tampas de caneta, EVA preto

Verificação: a tensão do LDR muda com a luz e os LEDs acendem (teste ligando a base do transistor ao 3,3 V por um resistor de 1 kΩ).

Manual: 04 · Posição dos sensores

Ultrassom e ligações finais

Ligar tudo ao ESP32, entender o eco do HC-SR04 e revisar com o multímetro.

concluído

Roteiro

15 mindesplugado Batam palmas perto de uma parede longe e contem o tempo do eco. O som anda ~343 m/s: a que distância está a parede? O morcego e o HC-SR04 fazem a mesma conta.
55 minLigações seguindo a tabela de pinos: ponte H, encoders, MPU6050, sensores, HC-SR04 (com o divisor no ECHO) e servo.
30 minRevisão cruzada: cada grupo confere as ligações de outro grupo com a tabela e o multímetro, antes de ligar a bateria.

No campo: sensores ultrassônicos medem o nível de caixas d’água, silos e poços, e avisam quando está acabando.

Materiais

ESP32, DRV8833, MPU6050, HC-SR04, servo
Fios, resistores 1 kΩ e 2 kΩ
Multímetro

Verificação: nenhuma ligação errada na revisão cruzada; sem curto entre os barramentos.

Manual: 06 · Ligações

Módulo 3

Programação

Com um só computador, organize um rodízio: enquanto um grupo grava e testa, os outros fazem a atividade desplugada ou ajustam a mecânica.

Dando vida ao robô

Gravar o firmware, ler os sensores no monitor serial e conferir motores, encoders e IMU.

concluído

Roteiro

15 minMostre como o computador conversa com o robô: gravar, monitor serial e os comandos de uma letra (d, c, w, r, s). Combine a regra de segurança: s ou um toque no BOOT param o robô a qualquer momento.
60 minRodízio no computador (~15 min por grupo): gravar e fazer os 6 testes do manual. Quem espera preenche no diário a tabela “o sensor vê / o número que aparece”.
25 minCorrigir o que falhou: motor invertido, sensor trocado, ligação solta. Use a tabela de problemas comuns.

No campo: estações meteorológicas e sensores de umidade do solo também transformam o mundo em números para o computador decidir, como irrigar ou não.

Verificação: os 6 testes da seção 08 ok, anotados no diário.

Manual: 07 · Firmware · 08 · Testes · 10 · Problemas

Seguindo a linha: o controle PID

Entender a correção proporcional e ajustar KP e KD com experimentos registrados.

concluído

Roteiro

20 mindesplugado Robô humano 2: o aluno vendado anda sobre a linha e um colega diz o quanto ele está longe dela: “pouco”, “médio”, “muito”. Ele corrige mais quando está mais longe. Isso é o P do PID. Se ele corrige demais, fica em zigue-zague: aí entra o D, que freia a correção.
10 minCalibrar na pista da turma: robô centralizado numa reta, segurar o BOOT por ~1,5 s (ou c e w no monitor). A calibração fica salva no robô.
55 minExperimento: cada grupo testa 3 valores de KP (ex.: 0,05, 0,10 e 0,20), com 3 voltas em cada, e anota numa tabela se o robô completou a curva e se oscilou. Depois testa KD com o melhor KP.
15 minComparar as tabelas dos grupos no quadro. Os melhores valores foram iguais? Por quê?

No campo: o piloto automático de tratores com GPS corrige a direção do mesmo jeito: quanto mais fora da linha de plantio, maior a correção.

Entrega: tabela de experimentos no diário e o robô completando a pista simples (reta + curva).

Manual: 09 · Calibração

Decisões: verde, gap e obstáculo

Conhecer as regras dos marcadores da OBR e ajustar as manobras do robô.

concluído

Roteiro

20 minRegras dos marcadores verdes: verde à esquerda, à direita, dos dois lados (meia-volta) e verde depois do cruzamento (ignorar). Desenhem no diário os 4 casos e o que o robô deve fazer.
15 minLeiam juntos o trecho stepStateMachine do main.cpp: identifiquem os estados do robô (seguir linha, gap, resgate, fim). Desenhem a máquina de estados com setas.
50 minMedir a distância dos sensores de cor ao eixo e ajustar GREEN_TO_AXLE_MM. Testar cruzamentos com verde, um gap e um obstáculo (uma caixa de leite).
15 minRegistrar no diário o que funcionou e o que ainda erra, principalmente erros na leitura do verde. Esses erros são o gancho para o próximo módulo.

No campo: a máquina de estados lembra o manejo de um rebanho: dependendo do sinal (chuva, sol, hora), o próximo passo muda.

Entrega: desenho da máquina de estados e a lista de erros de cor observados.

Manual: 04 · Cota B

Módulo 4

TinyML: ensinando o robô

Até aqui o robô decide por limiares fixos que alguém escolheu. Agora ele vai aprender com exemplos coletados pelo próprio grupo.

Como uma máquina aprende?

Entender dados de treino, classificação e viés, e coletar os dados do robô.

concluído

Roteiro

30 mindesplugado Classificando folhas: cada grupo recebe folhas (ou sementes, ou grãos) de 3 tipos. Medem duas características (comprimento e largura) e marcam num gráfico em papel, uma cor para cada tipo. Depois recebem uma folha “misteriosa”: de qual tipo ela é? A resposta vem de olhar os pontos mais próximos no gráfico. Isso é aprender com exemplos.
15 minDiscussão sobre viés: e se só tivéssemos medido folhas pequenas? E se o robô só treinar com sol e a prova for à noite? Conclusão: dados variados são mais importantes que muitos dados.
55 minRodízio no computador: cada grupo coleta dados com ml/collect.py (ele confere a calibração do robô antes de gravar) nas 7 classes (branco, linha, verde esq/dir/ambos, prata, vermelho), deslizando o robô com a mão em várias posições. Quem espera planeja no diário quais situações difíceis vai incluir.

No campo: aplicativos que identificam pragas e doenças pela foto da folha aprenderam assim: com milhares de exemplos, muitos fotografados por agricultores.

Materiais

Folhas, sementes ou grãos de 3 tipos
Régua, papel quadriculado, lápis de cor
Pista com fita prata (papel alumínio) e vermelha

Entrega: gráfico das folhas e um arquivo de dados por robô, com todas as classes.

Manual: 09 · Treine o classificador

Treinar, testar e comparar

Treinar o modelo, ler a matriz de confusão e comparar o robô antes e depois do TinyML.

concluído

Roteiro

15 minAntes: com o robô ainda na heurística, cada grupo passa 10 vezes por cruzamentos com verde e anota os acertos.
30 minRodízio: rodar ml/train.py e regravar. Mostre a matriz de confusão na tela: a diagonal é o que acertou; fora dela, o que o modelo confunde (verde com linha? prata com branco?).
25 minDepois: repitam as mesmas 10 passagens com o modelo. Melhorou? Montem no quadro uma tabela com os resultados de todos os grupos.
30 minSe algo ainda erra, coletem mais exemplos daquele caso e treinem de novo. Discutam: o modelo de um grupo funcionaria no robô de outro? (Não: cada robô é um pouco diferente.)

No campo: “testar antes e depois, nas mesmas condições” é como se compara uma semente ou um adubo novo numa parcela da roça.

Entrega: tabela antes/depois no diário, com uma frase de conclusão do grupo.

Módulo 5

Desafio

Garra para a sala de resgate e o festival com a comunidade.

A garra e a sala de resgate

Projetar uma garra com material reciclado e ver o robô resgatar vítimas sozinho.

concluído

Roteiro

15 minDesafio: pegar uma bolinha (a “vítima”) com um único servo, de modo que ela fique na frente do sensor de distância. Mostre ideias: pinça, pá, gaiola que desce.
40 minCada grupo projeta no diário e constrói sua garra com palito de picolé, tampas, arame e elástico. Ajustem os ângulos da garra e meçam CAPTURE_MM e HOLD_MM com o stream d.
30 minSala de treino (caixa de papelão, triângulo num canto, fita de alumínio na entrada): o robô entra, percorre as paredes, procura, pega e entrega as vítimas. O grupo de Dados anota no diário cada etapa que aparece no monitor ([resgate] ...).
15 minDiscussão: por que o robô gira devagar para procurar? Como ele sabe voltar ao triângulo sem câmera? (Ele soma quanto andou e para onde virou: a mesma ideia de contar passos no escuro.)

No campo: colhedoras e ferramentas inventadas na própria roça mostram que um bom projeto mecânico resolve muito com pouco. E “saber onde está contando o que andou” é como se acha o caminho de volta numa trilha sem placas.

Materiais

Palitos, tampas, arame, elástico, cola quente
Bolinhas de papel alumínio e pintadas de preto (~5 cm)
Caixa de papelão grande ou tábuas para a sala

Entrega: desenho da garra no diário e o robô entregando ao menos uma vítima no triângulo.

Manual: 10 · Sala de resgate

Festival do Robô Resgate

Apresentar o trabalho à comunidade e fazer uma mini-competição no estilo da OBR.

concluído

Roteiro

20 minMontagem da pista e da exposição dos diários. Convide as famílias e a comunidade.
40 minMini-competição: cada robô tem 2 tentativas; pontos por trecho completado, verde certo, gap e obstáculo.
30 minCada grupo apresenta em 5 minutos: o robô, um problema que enfrentou e como o TinyML ajudou (ou não).
10 minPremiação em várias categorias e fotos.

Com a comunidade: peça a cada grupo para mostrar aos visitantes uma aplicação do robô no campo que eles inventaram, como um robô que segue a linha de plantio ou mede o nível da caixa d’água.

Categorias sugeridas

Melhor pontuação na pista
Melhor diário de bordo
Melhor uso de material reciclado
Melhor explicação do TinyML
Espírito de equipe

03 Avaliação

Avaliação contínua, pelo diário de bordo e pela observação dos encontros, e não só pelo resultado na pista. Um robô que não completou a pista, mas com problemas bem investigados no diário, mostra muita aprendizagem.

Critério	Iniciante	Em desenvolvimento	Proficiente	Avançado
Montagem e segurança	Precisa de ajuda constante; esquece as regras de segurança	Monta com ajuda; segue as regras quando lembrado	Monta seguindo o manual e confere com o multímetro	Monta, revisa e ajuda outros grupos
Investigação e registro	Diário incompleto	Registra o que fez, sem explicar	Registra problemas, testes e soluções	Usa tabelas e conclusões e compara com outros grupos
Programação e ajuste	Só grava o firmware	Usa os comandos e lê os sensores	Ajusta parâmetros com experimentos	Lê e modifica o código com propósito
Compreensão do TinyML	Não explica o que o modelo faz	Sabe que o robô “aprende com exemplos”	Explica dados de treino, teste e viés	Interpreta a matriz de confusão e decide que dados coletar
Colaboração	Trabalha sozinho	Cumpre o próprio papel	Reveza papéis e ajuda o grupo	Lidera sem centralizar e ensina os colegas

O projeto trabalha os eixos de Pensamento Computacional, Mundo Digital e Cultura Digital das normas de Computação na Educação Básica, junto com Ciências (luz, som, eletricidade) e Matemática (medidas, proporção, gráficos). Ajuste os objetivos às habilidades do currículo da sua rede.

04 Adaptações

Turma multisseriada

Misture idades nos grupos. Os menores ficam com Mecânica e Registro; os maiores com Eletrônica e Programação, sempre trocando. Ensinar o colega mais novo também é aprendizagem.

Sem computador por grupo

Faça o rodízio no único computador e, enquanto isso, as atividades desplugadas e o diário. Os encontros 8, 11 e 12 são os que mais dependem do computador.

Sem internet

Prepare o computador antes (veja “Antes de começar”) e imprima o manual. Nada nos encontros precisa de internet.

Sem solda

Uma mini protoboard por robô (~R$ 10) substitui a solda nos sensores e no circuito de cor. Fica menos firme, então prenda os fios com fita.

Pouco tempo

Junte os encontros 2 e 4, e 5 e 6, em versões curtas, e pule o 13. Fica em 10 encontros, mantendo o TinyML.

Energia instável

As atividades desplugadas dos encontros 1, 5, 6, 7, 9 e 11 funcionam sem energia. Deixe as baterias carregadas no dia anterior.