MINISTÉRIO DA DEFESA
EXÉRCITO BRASILEIRO
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Seção de Engenharia de Computação / SE8
LÍDIA BRÍGIDO SANTIAGO MELO
SISTEMA DE NAVEGAÇÃO PARA UM VEÍCULO
SUBMERSÍVEL
Rio de Janeiro
2013
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
LÍDIA BRÍGIDO SANTIAGO MELO
SISTEMA DE NAVEGAÇÃO PARA UM VEÍCULO SUBMERSÍVEL
Projeto de Fim de Curso apresentado à Seção de
Engenharia de Computação do Instituto Militar de
Engenharia
Orientador: Prof. Paulo Fernando Ferreira Rosa - Ph.D.
Rio de Janeiro
2013
2
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha
Rio de Janeiro – RJ
CEP: 22290-270
Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluílo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma
de arquivamento.
São permitidas a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre
bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou
venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem
finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do autor e do
orientador.
621.38
M528s
Melo, Lídia Brígido Santiago.
Sistema de navegação para um veículo submersível / Lídia Brígido
Santiago Melo; orientado por Paulo Fernando Ferreira Rosa. – Rio de
Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2013.
54f: il
Projeto de Fim de Curso (Engenharia de Comunicações) – Instituto
Militar de Engenharia. – Rio de Janeiro, 2013.
1. Engenharia de Comunicações 2. Veículo Submersível.
3.Navegação Robótica. 4.Sistemas Embarcados. 5. ROV I. Rosa, Paulo
Fernando Ferreira II. Título. III. Instituto Militar de Engenharia.
CDD 621.38
3
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Lídia Brígido Santiago Melo
SISTEMA DE NAVEGAÇÃO PARA UM VEÍCULO SUBMERSÍVEL
Relatório de Projeto de Fim de Curso apresentado à Seção de Engenharia de
Computação do Instituto Militar de Engenharia.
Orientador: Prof. Paulo Fernando Ferreira Rosa - Ph.D.
Aprovada em 30 de outubro de 2013 pela seguinte Banca Examinadora:
__________________________________________
Prof. Paulo Fernando Ferreira Rosa – Ph.D., do IME
__________________________________________
Prof. Ricardo Choren Noya – D.C., do IME
__________________________________________
Maj Julio Cesar Duarte – D.C., do IME
Rio de Janeiro
2013
4
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao meu professor orientador Paulo Fernando Ferreira Rosa pela
disponibilidade e atenção dedicadas ao desenvolvimento desse trabalho, ao TC Ribeiro
por sua grande contribuição com a impressão das peças criadas nesse projeto e ao 1 Ten
Maia Júnior pela sua grande ajuda em todo o projeto.
5
SUMÁRIO
ÍNDICE DE ILUSTRAÇÕES...............................................................................................7
1. INTRODUÇÃO...........................................................................................................10
1.1.
MOTIVAÇÃO ................................................................................................................ 12
1.2.
OBJETIVO.................................................................................................................... 13
1.3.
JUSTIFICATIVA ........................................................................................................... 13
1.4.
METODOLOGIA ........................................................................................................... 13
1.5.
ESTRUTURA DA MONOGRAFIA ................................................................................ 14
2. CONCEITOS DE SISTEMAS COMPONENTES DE UM ROV..................................16
2.1.
SISTEMA DE NAVEGAÇÃO INERCIAL (SNI) .............................................................. 18
2.2.
SISTEMAS UMBILICAIS .............................................................................................. 22
2.3.
PROPULSÃO ............................................................................................................... 24
2.4.
SISTEMA DE ILUMINAÇÃO ......................................................................................... 25
2.5.
MANIPULADORES ...................................................................................................... 26
2.6.
SONARES .................................................................................................................... 27
2.7.
CONTROLE ................................................................................................................. 29
3. ESTRUTURA ELETRÔNICA.....................................................................................30
3.1.
MOTORES ................................................................................................................... 30
3.2.
CONTROLADOR ELETRÔNICO DE VELOCIDADE (ESC) ......................................... 31
3.3.
FONTE DE ALIMENTAÇÃO ......................................................................................... 32
3.3.1.
BATERIA ............................................................................................................................. 32
3.3.2.
CABO DE ALIMENTAÇÃO ............................................................................................... 33
3.4.
CONTROLE ................................................................................................................. 33
3.5.
CABO DE COMUNICAÇÃO ......................................................................................... 35
3.6.
MICROCONTROLADOR .............................................................................................. 36
3.7.
SISTEMA DE VÍDEO .................................................................................................... 39
4. ESTRUTURA MECÂNICA.........................................................................................41
4.1.
MODELAGEM DO ROV ............................................................................................... 41
4.2.
ENCAPSULAMENTO DOS COMPONENTES ELETRÔNICOS ................................... 42
4.3.
MONTAGEM ................................................................................................................ 45
5. ORGANIZAÇÃO EXPERIMENTAL...........................................................................48
6. CONCLUSÕES..........................................................................................................50
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................51
8. ANEXO.......................................................................................................................54
6
ÍNDICE DE ILUSTRAÇÕES
FIG 1: ROV Phantom DS4 utilizado na exploração de petróleo. Fonte: (Christ, 2007).... 10
FIG 2: Esquemático do ROV. Fonte: (Marine science today: The Latest News in Marine
Science, 2013) .......................................................................................................... 16
FIG 3: Exemplo de acelerômetro. (A) Massa em posição neutra. (B) Massa acelerada
para a direita. Fonte: (Miguens, 1999) ...................................................................... 20
FIG 4: (A) Direção de orientação dos giroscópios. (B) Giroscópios montados no "Anel de
Latitude". Fonte: (Miguens, 1999) ............................................................................. 21
FIG 5: (A) Sistema giroscópico completo. (B) Elemento Sensível do SNI. Fonte:
(Miguens, 1999) ........................................................................................................ 21
FIG 6: Sistema Umbilical comunicando ROV ao operador na superfície. Fonte: (Norsk
Elektro Optikk As, 2011) ........................................................................................... 23
FIG 7: Manipulador de ROV. Fonte: (NauticExpo, 2013) ................................................. 27
FIG 8: Emprego de sonar na detecção de embarcações (Retirado de (Kongsberg, 2013))
.................................................................................................................................. 28
FIG 9: Dimensões do motor. Fonte: (HobbyKing, 2013) .................................................. 30
FIG 10: Motor 2205C 1400kv. Fonte: (HobbyKing, 2013)................................................ 30
FIG 11: ESC capaz de suportar uma corrente máxima de 18A ....................................... 31
FIG 12: Proteção plástica do ESC ................................................................................... 31
FIG 13: Denominações dos botões digitais e analógicos do joystick Dualshock para
Playstation 2. Fonte: (Playstation2 Joystick Block, 2013) ......................................... 34
FIG 14: Acionamentos dos sticks para movimentação do ROV. (A) Joystick em estado
neutro. (B) Curva à direita. (C) Curva à esquerda. (D) Variação de profundidade. (E)
Movimento de seguir em frente. ................................................................................ 34
FIG 15: Placa de desenvolvimento Arduino Uno. Fonte: (Arduino home tutorial, 2013) .. 36
FIG 16: Câmera USB empregada.................................................................................... 40
FIG 17: Peças de encapsulamento do motor montadas. (A) Base do encapsulamento (B)
Tampa do encapsulamento ....................................................................................... 44
FIG 18: Extensor do eixo do motor. (A) Projeto no SolidWorks. (B) Peça produzida ...... 44
FIG 19: Estrutura interna do ROV.................................................................................... 45
FIG 20: Vedação nas superfícies de separação .............................................................. 46
FIG 21: (A) Vista lateral do motor (B) Vista superior dos motores (C) Encapsulamento do
motor fixo à estrutura (D) Posicionamento do motor de profundidade ...................... 46
FIG 22: (A) Abertura para visualização do ambiente (B) Posicionamento da câmera ..... 47
FIG 23: Estrutura do ROV ............................................................................................... 47
FIG 24: Vista superior do tanque para o experimento de movimentação em linha reta .. 48
FIG 25: Vista superior do tanque para o experimento de realização de curvas .............. 48
FIG 26: Vista lateral do tanque para o experimento de variação de profundidade .......... 49
7
RESUMO
O uso de veículos submersíveis possui diversas aplicações atualmente devido à
grande necessidade de se atingir águas profundas durante tarefas de inspeção de cascos
de navios naufragados e exploração de petróleo, por exemplo, podendo realizar
operações de alto risco em condições de temperatura e pressão em que o homem não
sobreviveria. Tendo em vista essa importância de ROVs (Remotely Operated Vehicles),
esse trabalho construiu um ROV para inspeção subaquática, implementando os sistemas
relacionados à estrutura eletrônica e sistemas embarcados, à estrutura mecânica, à
programação e à integração desses sistemas.
PALAVRAS-CHAVE
Veículo Submersível; Navegação Robótica; Sistemas Embarcados; ROV
8
ABSTRACT
Nowadays, the use of underwater vehicles has many applications due to the great
need to reach deep water during inspection tasks in hulls shipwrecks and oil exploration,
for example, being able to perform high-risk operations in conditions of temperature and
pressure at which men would not survive. Because of the importance of ROVs (Remotely
Operated Vehicles), this paper built an ROV for underwater inspection, implementing
systems related to the electronic structure and embedded systems, the mechanical
structure, the programming and to the integration of these systems.
KEY WORDS
Submersible Vehicles; Robot Navigation; Embedded Systems; ROV
9
1. INTRODUÇÃO
De acordo com (Centeno, 2007), a maior parte da bibliografia divide os veículos
subaquáticos não tripulados em dois grupos: veículos operados remotamente (Remotely
Operated Vehicles– ROVs) e veículos subaquáticos autônomos (Autonomous Underwater
Vehicles – AUVs). Os ROVs recebem energia e trocam informações com o painel de
controle na superfície através de um cabo umbilical e, a partir do painel de controle, o
operador pode planejar tarefas ou utilizar um joystick para manobrar diretamente o
veículo. Os AUVs não sofrem a intervenção do operador humano durante a missão, não
possuem cabo umbilical e a fonte de energia está embarcada no veículo, assim como a
unidade central de processamento.
Embora não seja conhecido o responsável pela criação do primeiro veículo
submersível, sabe-se que o primeiro veículo conectado por cabo a superfície, chamado
Poodle, foi criado por Dimitri Rebikoff em 1953. O primeiro passo na tecnologia dos ROVs
foi dado pela Marinha dos Estados Unidos, que os projetava com o intuito de recuperar
materiais bélicos utilizados em testes feitos no oceano. Os ROVs começaram a ganhar
fama quando o US Navy CURV recuperou uma bomba atômica perdida em um acidente
aéreo, em 1966, nos mares de Palomares, uma vila pesqueira espanhola, e salvou os
pilotos de um submersível que afundou na Irlanda, em 1973. O segundo passo foi dado
por firmas particulares que viram que esses robôs poderiam dar grande apoio à operações
da indústria petroleira.
FIG 1: ROV Phantom DS4 utilizado na exploração de petróleo. Fonte: (Christ, 2007)
Os ROVs mais modernos, tais como o veículo mostrado na FIG 1, atualmente são
capazes de chegar a dez mil pés de profundidade, sendo utilizados em operações
10
industriais e pesquisas biológicas em ecossistemas jamais visitados nas profundezas do
oceano.
Os ROVs podem ser classificados por sua potência, tamanho, peso, profundidade de
operação, tipos de atuadores, custo e função. Em nível mundial, percebeu-se, através da
pesquisa, que não há uma unanimidade com relação aos parâmetros que definem cada
classe. Existe, porém, a norma NORSOK standard U-102, vista em (Indústria de Petróleo
da Noruega, 2012)
que define em seu escopo os requisitos básicos de pessoal,
equipamentos e sistemas, para operações com ROV relacionadas à indústria de petróleo.
No seu quarto capítulo a norma define as diversas classes de ROV, sendo elas:
- observação pura: veículos pequenos equipados com câmeras de vídeo, iluminação
e propulsores, limitados à observação por meio de vídeo;
- observação com opção de carga útil: veículos capazes de operar portando sensores
adicionais, tais como sonares e câmeras de fotografia;
- veículos da classe de trabalho: veículos grandes e equipados com sensores e/ou
manipuladores adicionais;
- veículos para trabalho no leito do mar: veículos que operam no leito do mar através
de rodas ou correias de tração;
- veículos protótipos ou em desenvolvimento.
Atualmente um dos problemas que limitam algumas aplicações de ROV é a
necessidade de se saber a posição desse veículo enquanto o mesmo realiza funções de
inspeção em ambientes semiestruturados onde é necessário saber a localização do
veículo para indicar o local onde está inspecionando. De acordo com (Eder, 2003), devese entender ambiente estruturado como sendo um ambiente no qual algumas précondições são respeitadas, tais como solo de navegação e condições ambientais
condizentes com a plataforma utilizada. Logo, ambientes semiestruturados são aqueles
em que alguma dessas pré-condições não são satisfeitas. Para solucionar esse problema
é necessário implementar no veículo um sistema de navegação. A função de um sistema
de navegação consiste em informar a posição atual do veículo baseando-se em
informações atuais e passadas de alguns sensores.
Alguns exemplos de sistemas de navegação são a navegação inercial, que consiste
na integração da velocidade ou na dupla integração da aceleração para a obtenção da
posição, e o Global Positioning System (GPS), que funciona por meio do cálculo da
distância pelo receptor entre quatro satélites diferentes que estão na órbita da Terra. Como
o GPS usa ondas de rádio para efetuar essa localização e essas ondas são absorvidas
11
pelo meio aquático, a localização fica impossibilitada, fazendo com que o GPS não opere
em ambiente submersos. Por isso, se faz necessário a utilização do sistema de
posicionamento acústico, que tem o mesmo princípio de funcionamento de um GPS, mas
que necessita de algumas bases transmissoras submersas em uma determinada região e
uma base receptora no veículo, de acordo com (Mandt, Gade, & Jalving, 2000).
1.1. MOTIVAÇÃO
Veículos submersíveis remotamente operados tem por finalidade realizar tarefas que
para o homem são consideradas de alto risco. Em 2011, esses equipamentos tiveram
grande importância no vazamento do campo de Frade, no Rio de Janeiro, tanto no
acompanhamento do acidente quanto na busca por sua solução e, atualmente, tem sido
bastante aplicados na área de exploração e produção de petróleo.
Embora os sistemas ROV não possam substituir completamente mergulhadores
humanos devido a sua versatilidade limitada e incapacidade de uma perfeita transmissão
de dados e coleta dos mesmos através de sensores, é de grande importância a pesquisa
acerca desse tema dado que em muitas situações eles podem ser empregados a fim de
evitar riscos para o homem ao realizar tarefas como inspeção e monitoramento,
viabilizando pesquisas e estudos em regiões de águas profundas.
De acordo com (Kuhn, Drews Jr., Gomes, Cunha, & Botelho, 2011), no Brasil existem
poucos trabalhos na área de robótica subaquática que tratam da construção física de
ROVs e, de uma forma geral, a pesquisa nessa área ainda é insipiente, se comparada à
desenvolvida nos grandes centros de pesquisa e tecnologia mundiais. Esse trabalho
propõe uma estratégia de controle para que um veículo subaquático seja capaz de
supervisionar estruturas submersas, sem a utilização do conhecimento prévio de um
modelo dinâmico, empregando uma instrumentação embarcada mínima e de baixo custo.
Em (Barros & Soares, 2002) é apresentada uma proposta de um veículo de baixo custo
que pode operar tanto como ROV quanto em modo autônomo AUV.
Em (Moraes, 2005), foi realizada uma ampla revisão bibliográfica sobre os sensores
e os atuadores utilizados em ROVs e AUVs, bem como sobre alguns veículos já
construídos e utilizados comercial ou academicamente. Posteriormente, foi apresentada
pelo autor uma proposta de desenvolvimento de um ROV de baixo custo, na qual se
utilizou o maior número possível de componentes nacionais. O protótipo construído nesse
trabalho empregou uma arquitetura aberta, ou seja, uma estrutura que permite adicionar
as ferramentas necessárias à especificidade da missão; fez uso de um cilindro
12
pressurizado em seu chassi, o qual foi produzido por uma empresa especializada em
montagens de estruturas e dispositivos industriais, a fim de acomodar a eletrônica
embarcada; utilizou giroscópios e acelerômetros para medições da velocidade angular e
das acelerações linear e angular, respectivamente; construiu uma eletrônica embarcada
responsável tanto pela aquisição dos sinais dos sensores quanto pelo comando dos
acionamentos dos motores.
Em (Centeno, 2007) são tratados o projeto e a construção de um ROV de muito baixo
custo, no qual foi dada continuidade aos trabalhos de (Moraes, 2005). Foi construída uma
estrutura que incorpora os propulsores, um cilindro contendo a eletrônica embarcada, uma
câmera de vídeo, um sistema de iluminação, um altímetro e flutuadores em formato
cilíndrico. O controle foi feito por meio de comandos de joystick ou através de computador.
O trabalho aqui desenvolvido difere dos já comentados por ter como objetivo a
construção de um protótipo de um veículo capaz de realizar funções básicas de um ROV
destinado à tarefa de inspeção subaquática, sendo essas a de se movimentar através de
comandos do joystick e a de capturar informações de vídeo.
1.2. OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é estudar a pesquisa realizada sobre a concepção de um
ROV e construir um veículo submersível destinado a operações básicas de navegação. O
mesmo deve ser ainda capaz de capturar informações de vídeo do ambiente a sua volta,
com o propósito futuro de atuar como um veículo de inspeção submarina.
1.3. JUSTIFICATIVA
O tema do trabalho justifica-se pelo fato de veículos submersíveis remotamente
operados serem uma tecnologia em pesquisa na atualidade, devido às diversas
aplicações encontradas, e se trata ainda de um tema multidisciplinar devido à
complexidade de concepção de um ROV. Sendo assim, é um projeto a ser desenvolvido
com o desafio de abranger diversas áreas e com a possibilidade de aplicação prática, a
qual está sendo desenvolvida simultaneamente à pesquisa bibliográfica.
1.4. METODOLOGIA
Neste trabalho, como forma de introdução à problemática dos ROVs, foi feito o estudo
de (Christ, 2007) e (Bohm, 1997). A partir dessas referências foi possível obter o
conhecimento da teoria necessária para a construção de um veículo submersível,
13
introduzindo as tecnologias básicas e os principais sistemas componentes requeridos para
o desenvolvimento do ROV, sistemas esses relacionados à implementação do sistema de
navegação, aos componentes eletromecânicos e ao gerenciamento do cabo umbilical do
ROV.
Posteriormente, foi realizada uma divisão das três áreas principais que compõem a
construção de um veículo operado remotamente (ROV), as quais são: estrutura eletrônica,
programação do microcontrolador e estrutura mecânica. Para essas três áreas foram
feitas pesquisas visando comparar os diversos tipos de ROV utilizados comercialmente,
analisando as vantagens e dificuldades de se usar cada modelo encontrado.
Para a implementação da estrutura eletrônica, inicialmente foram estudados os
conceitos relacionados ao projeto de sistemas de controle para a definição dos motores,
controladores de velocidade, bateria e microcontroladores necessários à operação do
ROV. Após o projeto, o estabelecimento das especificações desejadas e a compra do
material selecionado, foi feita a montagem dos circuitos eletrônicos.
Na programação do microcontrolador, foi feita a pesquisa acerca das bibliotecas
necessárias ao código de detecção do joystick e a escrita do código de processamento
dos dados recebidos e de envio de informações ao ROV.
Para a construção da estrutura mecânica foram analisados os requisitos necessários
à movimentação do veículo quanto ao material e à geometria e projetados e construídos
os encapsulamentos dos motores. Após isso, foram feitas as adaptações na estrutura, a
fixação dos componentes eletrônicos e a vedação da estrutura do ROV.
No sistema de vídeo foi feita a escolha da câmera e do software de visualização e a
fixação à estrutura do ROV.
1.5. ESTRUTURA DA MONOGRAFIA
Na seção 2, estão expostos os estudos sobre os pontos mais importantes que devem
ser considerados no momento de implementação do ROV, tais como sistema de
navegação
inercial,
sistemas
umbilicais,
propulsão,
sistemas
de
iluminação,
manipuladores, sonares e microcontroladores.
Na seção 3, estão apresentados a descrição, o projeto e a implementação dos
componentes eletrônicos, bem como a identificação e ilustrações do material utilizado.
Estão ainda expostas as justificativas para a escolha do ambiente de desenvolvimento
Arduino como plataforma de controle do ROV e a explicação das partes constituintes do
código escrito.
14
Já na seção 4, estão apresentados as análises das propriedades referentes ao
material e geometria desejados e todo o procedimento realizado para a construção de um
ROV capaz de movimentações laterais e de profundidade.
Na seção 5, está exposta a implementação do sistema de vídeo do ROV.
A seção 6 apresenta a organização experimental, na qual estão sugeridas trajetórias
em um tanque de água para verificação dos movimentos do ROV.
Por último, uma conclusão acerca das perspectivas para trabalhos futuros que darão
continuidade ao projeto.
.
15
2. CONCEITOS DE SISTEMAS COMPONENTES DE UM ROV
O ROV consiste no corpo do veículo, mostrado na FIG 2, onde se localizam as
ferramentas necessárias à função a ser executada, o qual é conectado por um cabo,
usualmente chamado de cordão umbilical, ao centro de comando na superfície, onde
ficam os operadores. O cordão umbilical é responsável pela alimentação, pelos sinais de
comando e controle do veículo e pelo envio de dados de vídeo e dos sensores, para os
operadores. Em muitos casos, esse cabo é fortalecido para permitir a recuperação do
veículo em caso de acidente. O flutuador e o lastro são utilizados para permitir o ROV
emergir e submergir, a eletrônica embarcada engloba os componentes eletrônicos que
comandam o acionamentos dos motores (thrusters) e sensores, o instrumento de
navegação possibilitam a obtenção da localização do veículo e a medição de velocidade
e aceleração angular, a câmera permite a visualização do ambiente externo, o sistema de
iluminação melhora a visão do percurso do ROV e o manipulador confere a habilidade de
executar alguma tarefa específica, tais como busca e manutenção.
Cabo umbilical
FIG 2: Esquemático do ROV. Fonte: (Marine science today: The
Latest News in Marine Science, 2013)
Esses veículos podem variar de tamanho, dependendo da tarefa que irão
desempenhar, podendo ter as dimensões de uma caixa de sapato, que geralmente são
utilizados para simples observação de ecossistemas marinhos em águas rasas, ou de um
carro, empregados no manuseio de tubulações de petróleo em plataformas.
O sistema de controle é responsável pelas diferentes funções do ROV, desde o
controle do sistema de propulsão ao gerenciamento de luzes e câmera de vídeo, sendo
16
equipado por um computador e um subsistema de interfaceamento de controle. Ele deve
coordenar os comandos enviados pelo operador na superfície e convertê-los em ações
executadas pelo veículo submersível. Os dados requeridos pelo operador para determinar
precisamente a posição do veículo na água devem ser coletados por sensores e
transmitidos à superfície.
De acordo com (Christ, 2007), em sistemas analógicos obsoletos, um simples
comando como "ir para a direita" era interpretado de uma forma bastante complexa,
exigindo a operação de vários reostatos para executar o movimento ordenado. Com o
avanço de sistemas de controle digitais, é possível controlar o motor baseando-se no
simples posicionamento do joystick. É esse o principal problema a ser solucionado: fazer
com que o veículo desempenhe suas tarefas de forma segura e eficiente através de um
controle simples.
O sistema ROV é um grupo de subsistemas altamente interligados que, quando
funcionando perfeitamente, proporciona uma grande capacidade subaquática. Devido a
essa relação interdependente, o desempenho de um sistema ROV resulta de um
balanceamento entre design e características operacionais.
Esse sistema é, geralmente, dividido nos seguintes subsistemas: ferramentas e
sensores, controle, distribuição de potência elétrica, téter e cabo umbilical, sistema de
navegação e veículo, o qual pode ser subdividido em estrutura, propulsão e lastro.
Para exemplificar a interdependência entre os componentes do ROV, a simples tarefa
de aumentar a capacidade de velocidade do veículo pode resultar na necessidade de
energia elétrica adicional, o que provocaria mudanças no sistema de propulsão. Além
disso, configuração, estrutura, peso, sistema de controle, tamanho do cabo umbilical,
sistema de gerenciamento do téter e de navegação seriam todos afetados por causa da
simples tentativa de melhorar o desempenho do veículo.
Atualmente, os ROVs são, em sua maioria, destinados a executar operações
complexas a pouca distância da costa em profundidades cada vez maiores. Esses
veículos devem ainda ser bastante flexíveis, ou seja, capazes de realizar várias e
diferentes tarefas.
Como o objetivo de um ROV é cumprir missões que se tornariam bastante
complicadas para mergulhadores, o desempenho do veículo é projetado baseando-se
principalmente, em duas considerações: requerimento da tarefa e profundidade da
operação. Há ainda outros pontos que devem ser levados em conta na escolha de um
ROV: custo, tamanho, peso, plataforma operacional (embarcações, plataformas),
17
potência, profundidade máxima, capacidade de carga, versatilidade, segurança,
confiabilidade, manutenção, entre outros.
A fim de capacitar veículos submersíveis para a execução de tarefas submersas são
adicionados a sua estruturas sistemas que tornem possível o controle e navegação dos
mesmos, tais como câmeras, luzes, sonares, manipuladores, etc. Esses sistemas são,
então, ditos embarcados.
Um sistema embarcado, pela sua natureza especialista, isto é, sua total dedicação a
execução de uma determinada tarefa, pode ter inúmeras aplicações e interage
continuamente com o ambiente a sua volta por meio de sensores e atuadores.
Diferente dos computadores que rodam sistemas operacionais e softwares para as
mais variadas aplicações, os sistemas embarcados são construídos para executar uma
tarefa pré-determinada. Logo, na maioria dos projetos para estes sistemas não há
flexibilidade de software ou hardware que lhes permita realizar outras tarefas que não
sejam aquelas para as quais foram desenhados e desenvolvidos. Além disso, esses
sistemas são projetados geralmente para serem independentes de uma fonte de energia
fixa como uma tomada ou gerador.
As principais características de classificação deste sistema são a sua capacidade
computacional e a sua independência de operação.
A única flexibilidade permitida e desejada é no caso de uma atualização de novas
versões, fazendo com que o sistema possa ser reprogramado com correções ou novas
funções que o tornem melhor.
2.1. SISTEMA DE NAVEGAÇÃO INERCIAL (SNI)
Um sistema de navegação inercial (SNI), de acordo com (Miguens, 1999), é um
sistema que permite obter um plano de referência estabilizado, a partir da determinação
da posição em relação ao ponto de partida em latitude e longitude.
Sistemas de navegação inerciais podem ser utilizados na área de navegação de
aviões, navios, submarinos e outros veículos, sendo necessário um ponto inerte como
referência para iniciar o controle da navegação.
Diante da necessidade de instrumentos que permitam que a navegação ocorra sem
referências visuais com a superfície, o homem desenvolveu técnicas que foram evoluindo
ao longo do tempo em facilidade, precisão e confiabilidade. Passando por técnicas
18
baseadas na observação de astros, rádio navegação e satélite, a navegação inercial é
utilizada até hoje.
Surgida inicialmente para equipar mísseis, este tipo de navegação consiste em medir
certos parâmetros que, tendo uma posição inicial, ao serem submetidos a uma série de
cálculos, permitem obter a posição, velocidade e orientação do veículo, sem ser mais
necessária a intervenção de outro sistema de navegação. Além disso, SNIs não requerem
a emissão ou recepção de sinais e são imunes à interferências.
Os sistemas de navegação inercial são divididos basicamente em três categorias:
alta, média e baixo desempenho.
Os sistemas de alto desempenho apresentam pequenos níveis de ruído, custo
elevado e são utilizados principalmente nas aplicações de uso militar e na aviação
comercial. Já os equipamentos de baixo e médio desempenho (conhecidos como
sistemas de baixo custo) possuem maiores níveis de ruídos e deriva, sendo que suas
principais aplicações se dão no campo da navegação de veículos autônomos (terrestres
e aquáticos), na robótica, entre outros. O grande inconveniente dos sistemas de baixo
custo é a grande quantidade de ruído e deriva presente nas medições, o que torna inviável
sua utilização isolada em aplicações confiáveis de navegação.
A navegação inercial é definida como o processo de determinar a posição do veículo
e os seus movimentos com base na medida das suas acelerações em direções espaciais
conhecidas, por meio de instrumentos que mecanizam as leis do movimento de Newton.
Esse processo baseia-se em medir acelerações através de instrumentos e integrá-las a
fim de obter velocidade e posição. Os instrumentos básicos usados em todos os sistemas
de navegação inercial são giroscópios, acelerômetros e computadores.
Um giroscópio consiste de um rotor que, ao girar em alta velocidade, mantém, de
acordo com as leis de Newton, a orientação do seu eixo de rotação, apontando sempre
para um mesmo ponto no espaço (com respeito a um sistema de referência universal),
exceto quando perturbado por uma força externa, como a gravidade ou o atrito (fricção).
Já o acelerômetro é um dispositivo projetado para calcular a aceleração (𝑎⃗) ao longo de
um determinado eixo, pela medida da força (𝐹⃗ ) exercida ao longo desse eixo sobre uma
dada massa (𝑚), usando a 2ª Lei do Movimento de Newton (𝐹⃗ = 𝑚𝑎⃗).
A medida do deslocamento é feita por meios elétricos, conseguindo-se, assim,
detectar tanto as mínimas como as grandes acelerações. A FIG 3 mostra um tipo simples
de acelerômetro, constituído da armação, massa de teste, molas de controle e escala
19
graduada. Se a armação está em repouso, ou se deslocando em movimento retilíneo
uniforme, a massa está em sua posição neutra, como indicado na FIG 3 (A). Quando a
armação é acelerada para a direita (como no caso de alteração de velocidade na FIG 3
(B), a massa se move para trás com referência à armação, o que é indicado pelo ponteiro
na escala. Essa quantidade de deslocamento é proporcional ao valor da aceleração.
Quando cessa a aceleração, no caso de ser mantida uma velocidade uniforme, as molas
de controle fazem com que a massa de teste retorne à sua posição neutra inicial com
respeito à armação.
FIG 3: Exemplo de acelerômetro. (A) Massa em posição neutra. (B) Massa acelerada para a direita. Fonte: (Miguens, 1999)
Um sistema de navegação inercial é basicamente constituído por:
– Dois acelerômetros, que medem as acelerações do veículo com respeito aos eixos
N–S e L–O;
– integradores acoplados aos acelerômetros;
– plataforma estabilizada por giroscópios, sobre a qual estão os acelerômetros;
–sistema de orientação, que mantém os acelerômetros alinhados em suas respectivas
direções azimutais; e
–computador digital para determinar as diferenças de latitude e de longitude,
aplicando-as às coordenadas inicialmente alimentadas, e que fornece a posição do navio.
A teoria do SNI fundamenta-se na aplicação do princípio da inércia a um sistema
giroscópico, o qual é construído de forma a permanecer estável no espaço, em três planos
perpendiculares entre si, sendo isto obtido pelo uso de três giroscópios.
Para estabilizar o sistema em três planos, são requeridos três giroscópios montados
perpendicularmente entre si. Usam-se giroscópios com um único grau de liberdade, com
seus eixos sensíveis apontados, respectivamente, para o Polo Norte Celeste (giroscópio
L-A), na direção oposta ao centro da Terra (giroscópio M - B) e na tangente à superfície
da Terra (giroscópio E-C), conforme apresentado na FIG 4 (A).
20
Os três giroscópios são montados de modo que tenham completa liberdade de
movimento em todos os três planos. Além disso, os giroscópios A e B devem girar em
torno do eixo horizontal L–O, conforme o veículo varia sua latitude. Para obter isto, estes
dois giroscópios são montados no “Anel de Latitude”, mostrado na FIG 4 (B), que é um
disco capaz de girar em torno do eixo horizontal L–O, sendo, assim, mantido com seu
plano no meridiano.
O sistema giroscópico completo, mostrado na FIG 5 (A), deve ter um meio de buscar
a vertical (e, consequentemente, a horizontal). Isto é proporcionado por acelerômetros
localizados em dois eixos. Os acelerômetros são, basicamente, pêndulos montados no
Anel de Azimute, como mostrado na FIG 5 (B), de modo que seus eixos sensíveis sejam
N–S e L–O. Isto é importante porque eles devem ser capazes de medir a aceleração e
indicar a vertical em dois planos: Norte–Sul e Leste–Oeste. O equipamento até aqui
descrito (com os três giroscópios, o anel de latitude, o anel de azimute e os dois
acelerômetros) constitui o elemento sensível do sistema de navegação inercial (FIG 5(B)).
(A)
(B)
FIG 4: (A) Direção de orientação dos giroscópios. (B) Giroscópios montados no "Anel de Latitude".
Fonte: (Miguens, 1999)
(A)
(B)
FIG 5: (A) Sistema giroscópico completo. (B) Elemento Sensível do SNI. Fonte: (Miguens, 1999)
21
O progresso da tecnologia e a capacidade de produção mais eficiente levaram ao
desenvolvimento de uma maior autonomia em veículos submersíveis remotamente
operados de pequeno tamanho. A utilização desses veículos em muitos cenários é, no
entanto, limitada pelo seu conjunto básico de navegação, que geralmente consiste em
bússolas e na capacidade do piloto do ROV em se orientar através da interpretação de
imagens transmitidas por câmeras embarcadas.
É fácil ver que essa solução de navegação permite apenas que o ROV opere apenas
em espaços confinados ou em áreas já conhecidas. Fora desses lugares, a posição do
ROV só pode ser aproximada e, portanto, todas as tarefas que requerem precisão no
posicionamento do veículo não podem ser executadas.
A fim de superar essa limitação, ROVs de tamanhos maiores são equipados com
sistemas de navegação inercial complexos e/ou transponders que trabalham com sistema
de navegação acústico (tais como USBL1). Entretanto, geralmente, esses sistemas não
são acessíveis para pequenos ROVs por causa dos seguintes motivos:
-Sistemas de navegação inercial são grandes e pesados, o que faz com que a carga
do ROV se exceda e possuem um elevado custo.
-Transponders acústicos são pequenos e são de baixo custo, mas eles requerem um
sistema USBL propriamente instalado numa embarcação já equipada com um
equipamento de navegação confiável. Isso faz com que os custos dessa operação não se
tornem economicamente viáveis para pequenos ROVs destinados à observação
subaquática.
2.2. SISTEMAS UMBILICAIS
A maior parte dos ROVs necessita de um cabo para transmitir cargas mecânicas,
potência e comunicação de e para o veículo. Uma solução alternativa a esses tipos de
ROV são veículos autônomos ou semiautônomos, que utilizam “ligações” acústicas, ou
veículos que fazem uso de microcabos de fibra ótica.
O sistema de comunicação entre o ROV e os operadores é normalmente realizado
através de um cabo, por onde ocorre a transmissão de dados e de potência. Esse cabo
umbilical transmite aos operadores localizados na superfície ou em uma embarcação, por
exemplo, as informações dos sensores presentes no ROV, as imagens das câmeras de
1
USBL (Ultra-short baseline) é um método para posicionamento acústico subaquático e que consiste em um transceiver
e um transponder. Um computador é, então, utilizado para determinar a posição a partir das medições feitas pelo
transceiver.
22
vídeo, informações de potência aplicada aos atuadores e outras informações que facilitam
a operação desses equipamentos e retornam ao ROV os comandos enviados pelos
operadores e alimentação de energia (FIG 6).
FIG 6: Sistema Umbilical comunicando ROV ao operador na superfície. Fonte: (Norsk Elektro Optikk As, 2011)
A diferença entre as denominações dadas à ligação responsável pela alimentação e
troca de dados entre a estação na superfície e o ROV é bastante sutil: o cabo que liga a
superfície ao Sistema de Gerenciamento do Téter (Tether Management System -TMS) é
chamado umbilical e o cabo que liga esse último ao submersível denomina-se téter. A fim
de simplificar, neste trabalho será usado apenas o nome umbilical para se referir à ligação
superfície-ROV.
O tamanho do veículo, o peso e a profundidade de operação, assim como os motores,
os subsistemas e a carga, devem ser todos considerados quando se quer determinar a
configuração do cabo.
No design do cabo é necessário usar um material que apresente a menor resistência
possível, tal como o cobre, pois a maioria dos condutores tem resistência ao fluxo de
energia elétrica, o que causa queda de tensão.
Outro ponto a ser considerado é o isolamento dos condutores que irão transportar
energia elétrica. Para isso, ROVs normalmente usam materiais termoplásticos como o
TEFLON™. No entanto, devido ao fato de termoplásticos amolecerem ou derreterem com
o aquecimento, é importante conhecer tanto as condições do ambiente quanto a corrente
de operação.
Deve-se ainda considerar a tensão de operação, a qual deve ser limitada devido ao
isolamento dos condutores. Se ela for muito elevada, pode causar falhas no isolamento e,
consequentemente, fazer com que a energia elétrica transportada não alcance o ROV, o
que criaria condições de trabalho bastante perigosas. É comum o uso de um condutor de
23
emergência separado que funcione como terra para o caso de haver um colapso no
isolamento.
Os sinais transmitidos pelos cabos, sejam eles elétricos ou ópticos, sofrem
atenuações através dos condutores ou dos isoladores. Essas perdas variam tanto com o
meio de transmissão do sinal quanto com a frequência utilizada.
A transmissão do sinal pode ser analógica ou digital e, assim como já foi dito, elétrica
ou óptica. Condutores de cobre com isolamento termoplástico são bastante comuns
quando se quer trabalhar com sinais elétricos. A fim de evitar interferências
eletromagnética (“Electromagnetic Interference -EMI”) e de rádio frequência (“Radiofrequency Interference - RFI”), é comum blindar os condutores em transmissões de sinais
feitas através de fios, além de ser também de prática comum separar os condutores
destinados às transmissões daqueles encarregados de distribuir potência.
O umbilical pode ser composto de diversos componentes, tais como:
- condutores para transmissão de potência da superfície para o submersível;
- condutores para transmissão de dados e vídeo;
- metais condutores para telemetria;
- membro de força que permite uma maior força tensora na estrutura do cabo;
- substância menos densa que a água a fim de preencher o cabo e permitir a flutuação;
- jaqueta externa protetora para resistência à abrasão.
Devido ao objetivo deste trabalho (estudar e projetar um veículo submersível capaz
de realizar operações básicas em ambientes estruturados), apenas os dois primeiros tipos
de componentes farão parte do umbilical do ROV.
2.3. PROPULSÃO
Um sistema de propulsão é aquele que confere movimento a um equipamento ou
dispositivo a partir de uma força que fornece impulso. Sistemas de propulsão são
atualmente classificados em eletro-hidráulico e elétrico. Geralmente, o peso e a relativa
baixa eficiência de primeiro faz com que esse sistema não seja uma solução quando se
quer desenvolver a propulsão de um ROV que pese menos que 227 Kg. Já se o objetivo
é utilizar veículos de maior parte, esses sistemas apresentam diversas vantagens, tais
como simplicidade, versatilidade, confiabilidade e baixo ruído elétrico. Ainda, quando está
se projetando a propulsão de um ROV, dependendo das missões que o veículo deva
realizar, deve ser considerado o elevado ruído acústico gerado pelo sistema eletrohidráulico.
24
Os sistemas elétricos de propulsão, tipicamente, utilizam um motor elétrico separado
para cada propulsor, embora vários propulsores possam ser comandados por um único
motor, além de serem mais vantajosos para pequenos ROVs no que se refere à questão
do peso.
Como a velocidade da água que circula nas proximidades dos motores tem efeitos
sobre as saídas dos mesmos, os locais de acomodação desses devem ser calculados
com bastante cuidado, atentando principalmente para os tamanhos dos motores.
2.4. SISTEMA DE ILUMINAÇÃO
Para que o sistema de vídeo forneça informações satisfatórias acerca do
direcionamento do ROV e da presença de obstáculos, é necessário que haja um sistema
de iluminação eficiente, permitindo a câmera capturar dados precisos.
Iluminação subaquática é proporcionada pelo sistema de visualização, que é
constituído por um ou mais monitores de vídeo ou câmeras fotográficas. Para projetar
corretamente um sistema de visão submarina, o entendimento de vários fatores é
essencial.
Tanto a absorção quanto o espalhamento representam dificuldades quando as
observações ópticas são feitas a distâncias apreciáveis na água. A matéria dissolvida faz
com que aumente a absorção, enquanto a matéria em suspensão provoca o aumento de
espalhamento. Esse último é o fator mais problemático, uma vez que não só espalha a luz
útil a partir do feixe, como também adiciona iluminação de fundo, devido à dispersão do
feixe. A compensação da perda de luz por absorção pode ser feita pelo uso de luzes mais
fortes, mas em certas circunstâncias, as luzes adicionais podem ser degradantes
para um sistema devido ao aumento do retroespalhamento.
Objetos
localizados
a
poucos
metros
de
uma
câmera
podem
ser
claramente visualizados na água do oceano, mas, diferentemente do ar, o “alcance” de
clareza é drasticamente reduzido para distâncias até mesmo pequenas como 5 a 10 m.
Em algumas águas costeiras o efeito de retroespalhamento pode reduzir o alcance de
visibilidade útil para apenas 1 ou 2 metros. Manter a fonte de luz longe da frente da
câmera ajuda a situação.
Além do efeito da redução da intensidade de luz em água devido à absorção, ainda
tem-se o fato de que a absorção é uma função da cor ou frequência da luz. A luz
vermelha é absorvida cerca de seis vezes mais rápido do que luz azul-verde em água. É
25
por isso que fotografias submarinas de longa distância são simplesmente uma tonalidade
azul sem muita cor.
Mesmo em águas superficiais e mais claras, os vermelhos
são
praticamente
inexistentes em luz ambiente para além de 4 ou 5 m de profundidade. Esta situação é
melhorada na fotografia subaquática usando luzes estroboscópicas poderosas com a
câmera para obter mais luz "vermelha" para a visualização e, assim, produzir uma
fotografia de coloração mais equilibrada.
A temperatura de cor de uma lâmpada é medida em graus Kelvin (K). A maioria das
luzes subaquáticas usam lâmpadas de tungstênio halógenas incandescentes com uma
temperatura
de
cor
na
faixa
de
2,800
a
3,400
K.
Os
comprimentos
de
onda predominantes nessa temperatura de cor correspondem aos da coloração
vermelha e a luz a esta temperatura de cor compreende basicamente comprimentos de
onda dessa mesma cor. Como discutido anteriormente, o vermelho é rapidamente
absorvido em água, reduzindo a penetração da luz e também o intervalo em que a
imagem de cor verdadeira é alcançada. Isso é interessante para algumas aplicações de
ROV, onde a intenção é apenas navegar ou produzir imagens para documentação. Luz
de mais alta temperatura de cor também reduz retroespalhamento, especialmente em
longas distâncias submarinas como a razão da luz espalhada perto (mais vermelho) é
menor em relação à luz que vem do objeto de interesse mais longe.
2.5. MANIPULADORES
A parte frontal do veículo é onde normalmente estão equipados os dispositivos
capazes de realizar tarefas, além de câmeras, luzes e sonares que vão tornar possível ao
operador do ROV a navegação e a condução das missões a serem cumpridas. O uso de
manipuladores é mais comum quando é necessário realizar uma tarefa subaquática em
ambientes inóspitos a humanos. A FIG 7 mostra um exemplo de um ROV equipado por
manipuladores com finalidades de limpeza e manutenção.
26
FIG 7: Manipulador de ROV. Fonte: (NauticExpo, 2013)
A teleoperação, ou manipulação remota, permite aos operadores a manipulação, a
partir da superfície, de objetos submersos. Assim, os ROVs passam a adquirir a
capacidade de atuar em ambientes desestruturados, isto é, ambientes que dificultam a
locomoção do veículo.
Existe uma extensa variedade de tipos de manipuladores a fim de atender diversas
aplicações subaquáticas. Na escolha do manipulador a ser utilizado, é muito importante
selecionar o tipo mais simples que é capaz de executar a tarefa desejada em um tempo
razoável, pois quanto maior a complexidade, maiores serão as dificuldades e problemas
encontrados quanto à confiabilidade, operação e manutenção.
A integração dos manipuladores ao veículo é um ponto bastante sensível, uma vez
que devem ser considerados a quantidade suficiente para realizar a tarefa, suas
localizações, a força ideal que devem suportar e, principalmente, a localização das
câmeras, dado que é impossível controlar se não há como visualizar.
A configuração dos manipuladores evoluiu muito ao longo dos anos, integrando
formato ergonômico com potência e facilidade de controle, tornando-se mais simples de
serem operados.
2.6. SONARES
Sonar, da sigla do inglês, "Sound Navigation And Ranging", de acordo com (Silva,
s.d.), é um aparelho que pode ser dividido em duas partes principais. A primeira é uma
espécie de antena que fica no ROV e sua finalidade é transmitir e receber o som numa
frequência inaudível ao ser humano. O som viaja e, ao encontrar um alvo, reflete de volta.
A mesma antena que capta este sinal, amplifica-o e transmite-o à superfície para que
possa ser lido e interpretado pelo operador no console de controle. A outra parte do sonar
27
é justamente esta unidade da superfície onde o sinal é recebido e transformado em
imagem no monitor do operador.
A luz é absorvida ao longo de distâncias muito curtas em um ambiente aquático. Em
um trabalho subaquático, a falta de visão de longo alcance é um fator limitante. Nos
primeiros trabalhos subaquáticos realizados manualmente, a visão limitada não foi tão
decisiva porque o mergulhador não podia se mover de um lugar para outro muito
rapidamente. Como a intervenção da robótica no local de trabalho, a necessidade de
alargar a visão tornou-se mais vital. Isso se tornou ainda mais importante porque com a
presença remota pode-se avançar mais rapidamente de um lugar para outro.
Para atender às demandas de se observar ambientes subaquáticos, os
engenheiros se afastaram do espectro de luz visível e buscaram uma outra forma
de energia transmissível debaixo da água: o som, o qual é também atenuado no ambiente
de água densa, mas não sobre uma distância tão curta como a luz. Embora a resolução da
imagem acústica não se aproxime da ótica, ele fornece uma notável extensão da visão.
Aqueles
que
necessitam
de
dados
aquáticos,
incluindo
oceanógrafos,
geólogos marinhos e os pilotos de ROV passaram a depender fortemente da energia
sonora para transformar as coisas que não se pode ver em ambientes subaquáticos em
números, gráficos e imagens. O operador de ROV, em particular, exige que o sonar de
imagens forneça imagens precisas e atualizadas rapidamente. Os instrumentos que
transmitem e recebem estes pulsos sonoros tornaram-se mais sofisticados e
precisos nas últimas décadas.
FIG 8: Emprego de sonar na detecção de embarcações (Retirado de (Kongsberg, 2013))
A transmissão de som subaquático é limitada em frequências usuais. Sons de alta
freqüência são muito reduzidos pela água do mar em relação àqueles de baixa frequência.
Por exemplo, um pulso de som de 50 Hertz pode ser transmitido por milhares
28
de quilômetros no oceano, mas um pulso de 300 kHz, uma frequência comum de
sonares de imagem, podem ser transmitidos a distâncias de até aproximadamente 1 km.
Nos sonares então busca-se um equilíbrio de maior resolução, o qual é obtido com
grandes frequências, e o alcance do sinal, aumentado a baixas frequências. Um veículo
pode ter mais do que um sonar acoplado a ele. Duas frequências trabalham
simultaneamente: uma dá ao operador uma atualização rápida de informação para metas
e terrenos de alta resolução e outra as informações de maior alcance.
Atualmente, monitores coloridos e um poderoso processameno digital de sinais
aumentam a capacidade do operador de identificar alvos. A FIG 8 se refere a um ROV
conectado a uma embarcação na superfície captando informações acerca da presença de
outra embarcação por meio do sonar.
2.7. CONTROLE
Em (Chase & Monteiro), é definido que um hardware microcontrolado é dito sistema
embarcado, uma vez que é empregado em aplicações específicas onde não é viável a
utilização de um arquitetura PC, em relação à qual os sistemas embarcados apresentam
baixo custo e consumo de energia.
O primeiro passo para a implementação de toda comunicação e controle do ROV é o
desenvolvimento do circuito microcontrolado, que será o responsável por alimentar e
comandar todas as suas funcionalidades.
De acordo com (Souza, 2005), pode-se definir um microcontrolador como um
"pequeno" componente eletrônico, dotado de uma "inteligência" programável, utilizado no
controle de processos lógicos. O controle de processos deve ser entendido como o
controle de periféricos, tais como: LEDs, botões, displays de cristal líquido (LCD),
resistências, relés, sensores diversos (pressão, temperatura, etc.) e outros. São
chamados de processos lógicos pois a operação do sistema baseia-se nas ações lógicas
que devem ser executadas, dependendo do estado dos periféricos de entrada e/ou saída.
Para suprir exigências de projetos, existe uma ampla gama de microcontroladores
disponíveis no mercado, diferenciando-se pelo número de linhas de entradas/saídas (I/O
– Input/Output) e pelos recursos de periféricos do dispositivo.
29
3. ESTRUTURA ELETRÔNICA
Nesta seção são discutidos o projeto e a implementação dos componentes eletrônicos,
assim como são feitas a identificação e as ilustrações do material utilizado.
3.1. MOTORES
Um importante ponto a ser analisado no projeto do ROV se refere à quantidade de
tempo em que o equipamento será utilizado, ou seja, em que o motor estará acionado.
Nessa análise deve-se considerar a necessidade de o equipamento ficar ligado durante
vários dias ou somente por algumas horas, por exemplo. Considerando-se que o período
de operação do ROV será de algumas horas, pode-se limitar o conjunto de motores de
interesse baseando-se na velocidade, além de outros parâmetros físicos.
Através de comparações feitas entre práticas já executadas por terceiros com ROVs,
estima-se que, para um veículo com dimensões 15 x 12 x 12 cm e peso de 250g, um motor
de 1400 kv seria suficiente para proporcionar uma velocidade aproximada de 2 m/s, sendo
esse um valor satisfatório para um veículo com finalidades de observação.
Considerando-se as dimensões supracitadas escolhidas para o ROV, passou a existir
uma limitação com relação às dimensões e pesos de todos os componentes eletrônicos
que devem ser embarcados. Considerando-se essas duas características físicas, o custo
e a velocidade, decidiu-se por usar o motor 2205C 1400kv Brushless Motor, mostrado na
FIG 10, de 1400 kv com diâmetro de 2,7 cm e peso igual a 28 g, sendo esses dados
mostrados na TAB 1 e na FIG 9, ambos extraídos do datasheet fornecido pelo fabricante.
TAB 1: Especificações do motor
Kv (rpm/v)
1400
Peso
28g
Corrente Máxima
9,5A
Resistência
0 mh
Tensão Máxima
11V
Potência
121,5W
Eixo A
-
Comprimento B
15 mm
Diâmetro C
27 mm
Comprimento D
6 mm
Comprimento Total E
26 mm
FIG 10: Motor 2205C 1400kv. Fonte: (HobbyKing, 2013)
FIG 9: Dimensões do motor. Fonte: (HobbyKing, 2013)
30
3.2. CONTROLADOR ELETRÔNICO DE VELOCIDADE (ESC)
O ESC (Electronic Speed Controller) é um circuito eletrônico empregado com a
finalidade de possibilitar a variação da velocidade aplicada ao motor. Para a escolha do
tipo de ESC mais apropriado deve-se levar em conta as características elétricas do motor
e a capacidade de programação da rotação dos motores no sentido reverso. Como o motor
pode exigir uma corrente de até 9,5A, o ESC escolhido deverá suportar no mínimo esse
valor de corrente.
Para esse projeto, decidiu-se pela utilização do SS Series 15-18A ESC, mostrado na
FIG 11, o qual suporta uma corrente máxima de 18 A. Devido à pequena diferença de
custo entre esse ESC e um que suportasse uma corrente de 9,5A, decidiu-se pela compra
do primeiro, tendo assim uma margem de folga.
FIG 11: ESC capaz de suportar uma corrente máxima de 18A
FIG 12: Proteção plástica do ESC
Para esse componente foi colocada uma proteção plástica, como pode ser visto na
FIG 12, ao redor do corpo do ESC e seus fios foram envolvidos por fita veda rosca a fim
de evitar eventuais contato com a água caso haja algum vazamento para o interior do
ROV.
31
3.3. FONTE DE ALIMENTAÇÃO
Decidiu-se usar nesse trabalho a bateria Li-Po 1000 mAh 20-30C 4S e um cabo de
alimentação capaz de transportar uma corrente de até 10A, sendo essa característica
suficiente para atender aos requisitos dos motores.
3.3.1. BATERIA
A bateria é uma forma de alimentação que fornece energia para o funcionamento de
sistemas elétricos.
Dois fatores bastante relevantes na escolha por uma bateria embarcada em veículos
submarinos são a redução do diâmetro do cabo umbilical e a ausência de interferência
gerada pelo cabo de alimentação no cabo de comunicação de dados. No entanto, essa
opção é pouco utilizada devido ao aumento do peso a ser suportado pelo ROV, à redução
do seu tempo de autonomia e à necessidade de a bateria estar hermeticamente fechada.
Devido a isso, os ROVs utilizam frequentemente um sistema de potência externo provido
por uma fonte de alimentação.
Tendo em vista principalmente as considerações de segurança que devem ser
empregadas quando se utiliza bateria embarcada, tais como a exigência de vedação, já
que a bateria de Lítio, por exemplo, pode gerar gases ou incendiar durante sua operação
caso haja contato com água, escolheu-se nesse trabalho a opção pela fonte de
alimentação externa ou não embarcada, devendo essa ser ligada ao ROV por meio do
cabo de alimentação.
Uma vez definido o modo como ocorrerá a alimentação do ROV, é preciso agora que
seja feita uma análise da quantidade de energia necessária à operação do veículo.
A corrente e potência máximas fornecidas pelo motor escolhido são de 9.5A e 121,5W,
respectivamente, como exposto na seção 3.1. Assim, seria necessária uma bateria que
fornecesse um nível de tensão igual a 12,8V.
A bateria deve ser ainda capaz de suportar a corrente máxima do motor, que é de 9,5A.
Devido à elevada quantidade de descarga da bateria de Polímero de Lítio (Li-Po), ou
seja, à grande quantidade de energia utilizável que a bateria pode armazenar em
condições de tensão nominais ou quantidade de energia fornecida por hora, optou-se por
empregar a Li-Po, a qual deverá ser envolta por um encapsulamento robusto, evitando,
assim, problemas relacionados à vedação.
Portanto, uma bateria Li-Po 1000 mAh 20-30C 4S, apresentaria resultados satisfatórios
se empregada com os tipos de motor e ESC escolhidos, onde a nomenclatura 20-30C
32
juntamente com 1000 mAh indicam a quantidade máxima de corrente que pode ser
fornecida por hora, no caso 1000 mA x 30 = 30A, e 4S indica a quantidade de células de
3,7 V presentes na bateria, no caso 4 x 3,7 = 14,8 V.
3.3.2. CABO DE ALIMENTAÇÃO
Para o transporte da energia ao ROV, é necessária a utilização de um cabo capaz de
suportar a corrente máxima indicada pelo motor. Assim, optou-se por um cabo de lâmpada
(lamp cord) que é capaz de transportar uma corrente de até 10A.
Esse cabo apresenta ainda a vantagem de poder entrar em contato com a água, já que
o fio metálico é envolvido por um plástico. Por esse motivo, não há necessidade de se
preocupar em adicionar proteções para impermeabilização do mesmo.
Conforme será exposto na seção 3.7, o cabo de alimentação deve possuir pelo menos
o mesmo comprimento que o cabo da câmera. Para isso, foram feitas as soldagens entre
o cabo de alimentação com o tamanho desejado e os fios de alimentação dos ESCs.
3.4. CONTROLE
Em (Melo, 2012) foi feita a identificação dos fios componentes do cabo do controle
dualshock para Playstation 2. Complementando o que foi exposto nesse trabalho, existem
9 fios, mas apenas 6 deles apresentam funcionalidades necessárias para ocorrer
comunicação. O componente Data é o responsável por enviar dados do controle ao
computador, o Command possibilita o caminho reverso dos dados, o Ground faz a
conexão com o potencial de 0 V, o Power é ligado à tensão positiva de 3,3 V, o Attention
indica que uma transmissão está ocorrendo e o Clock é empregado na sincronização.
Em seguida, a fim de facilitar o manejo com os fios foi feito o acoplamento deles no
conector por meio de presilhas internas metálicas.
Após isso, o controle estava apto a ser devidamente conectado à placa do
microcontrolador.
33
FIG 14: Denominações dos botões digitais e analógicos do joystick Dualshock para Playstation 2. Fonte:
(Playstation2 Joystick Block, 2013)
A FIG 13 apresenta as denominações de todos os botões digitais e analógicos do
joystick utilizado. Nesse trabalho, no entanto, só tem aplicação os sticks analógicos
(A
(B
(C
(D
(E)
FIG 13: Acionamentos dos sticks para movimentação do ROV. (A) Joystick em estado neutro. (B) Curva
à direita. (C) Curva à esquerda. (D) Variação de profundidade. (E) Movimento de seguir em frente.
34
esquerdo e direito e os botões R1 e R2, bem como o botão de modo analógico, o qual
permite a entrada de comandos a partir dos sticks.
Na FIG 14 (A), tem-se o joystick com os sticks em suas posições neutras, resultando
no ROV em estado de inércia. Aplicando o stick esquerdo para a direita e simultaneamente
pressionando o botão R1, como mostrado na FIG 14 (B), faz-se com que o ROV realize
uma curva à direita. Analogamente, quando se deseja orientar o veículo para a esquerda,
deve-se mover o stick para a esquerda, como mostrado na FIG 14 (C). Para reduzir a
profundidade em que o ROV se encontra, deve-se mover o stick direito para cima,
pressionando o botão R1, de acordo com a FIG 14 (D). Por fim, para realizar um
movimento de seguir em frente, isto é, andar numa linha reta, é preciso acionar o stick
esquerdo para cima, pressionando o botão R2, visto na FIG 14 (E). Vale ressaltar que
decidiu-se associar os movimentos dos sticks ao acionamento dos botões digitais R1 e
R2 para evitar a ocorrência que qualquer movimento indesejado que possa ocorrer
movendo algum stick por acidente.
3.5. CABO DE COMUNICAÇÃO
O cabeamento por par trançado é bastante utilizado comercialmente por possuir 4
pares entrelaçados com a finalidade de inibir ou mesmo de cancelar a interferência
eletromagnética gerada entre os sinais transmitidos dentro dos fios de cada par. Assim,
esse trabalho faz uso do cabo UTP de par trançado de categoria 5 (CAT5) para possibilitar
a transmissão de dados da plataforma de desenvolvimento Arduino ao ROV. Esse tipo
permite que o manuseio do mesmo ocorra de forma mais fácil, conferindo, assim, maior
flexibilidade à movimentação em relação ao par trançado blindado (STP). Essa
característica assume grande relevância nesse trabalho tendo em vista que o cabo deve
influir de forma mínima na mobilidade do ROV.
O cabo trançado UTP CAT5 contém 4 pares de diferentes cores (verde, laranja, azul e
marrom), onde cada par consiste em um cabo com cor sólida e outro com a cor branca.
Como o ROV é capaz de realizar todas as movimentações desejadas (dobrar à esquerda
e à direita, seguir em frente e variar a profundidade) empregando três motores, foram
utilizados apenas três pares, onde cada um deles foi conectado à um ESC.
A conexão entre o cabo de comunicação e os ESCs se dá no interior do ROV de modo
a evitar o contato do fio condutor metálico com a água. Ainda, juntamente com o cabo da
câmera de vídeo e o de alimentação, eles comporão o cabo umbilical. Conforme será
35
exposto na seção 3.7, o cabo de comunicação deve possuir pelo menos o mesmo
comprimento que o da câmera.
Na superfície, os pares trançados em uso estão conectados diretamente à placa de
desenvolvimento Arduino.
3.6. MICROCONTROLADOR
Arduino é um projeto de circuito baseado em microprocessador de código aberto, com
microcontrolador ATmega328 da indústria Atmel, de entradas e saídas simples. É ainda
um ambiente de desenvolvimento do software Arduino, cuja linguagem de programação é
uma implementação do Wiring, construída em Processing. O Arduino Uno, representado
na FIG 15, pode ser usado para desenvolver objetos interativos, tomando entradas de
vários switches ou sensores e controlando uma variedade de luzes, motores,
mecanismos, entre outras saídas. Os projetos do Arduino podem tanto ser autônomos
como se comunicar com softwares.
FIG 15: Placa de desenvolvimento Arduino Uno. Fonte: (Arduino home tutorial, 2013)
Dentre as várias opções de microcontroladores existentes no mercado, tais como
8051,PIC, Arm, decidiu-se escolher a placa de desenvolvimento Arduino para implementar
o controle do ROV principalmente devido à ampla quantidade de material de consulta e
de projetos desenvolvidos com o mesmo, o que não ocorre com os demais
microcontroladores. Além disso, o mesmo é uma plataforma de prototipagem de fácil uso
quanto ao hardware, sendo ainda relativamente simples de ser programada. Essa
plataforma se torna apropriada à aplicação nesse trabalho por disponibilizar uma
quantidade satisfatória de portas de entrada e de saída, as quais são necessárias ao
interfaceamento entre o controle e o ROV. As especificações da placa Arduino Uno são
apresentadas na TAB 2.
36
TAB 2: Especificações do Arduino Uno
Microcontrolador
ATmega328
Tensão de operação
5V
Tensão de entrada recomendada
7 – 12V
Limites de entrada
6 – 20V
Pinos de I/O
14 (6 com saída PWM)
Pinos de entrada analógica
6 (10 bits)
Corrente DC por pino de I/O
40 mA
Corrente DC para pino 3,3V
50 mA
Memória Flash
32 KB
SRAM
2KB
EEPROM
1KB
Clock speed
16 MHz
No anexo, está exposto o esquemático do Arduino Uno.
A TAB 3 mostra como foi realizada a interligação entre o controle e os pinos no
Arduino.
TAB 3: Relação entre os fios componentes do controle e a pinagem no Arduino
Componente do Controle Pino no Arduino
Data
12
Command
11
Ground
GND
Power
3,3V
Attention
10
Clock
13
Vale ressaltar que foi preciso adicionar um resistor de pull-up de 10 kΩ entre os
componentes Data e Power para garantir um nível lógico esperado quando o controle
estiver desconectado. Em seguida foi executado o interfaceamento entre os pinos no
Arduino e os fios componentes do cabo UTP de comunicação com o ROV. A TAB 4
apresenta a correspondência feita entre cada um dos três ESCs dos motores e os pinos
da plataforma.
37
TAB 4: Relação entre os ESCs dos motores do ROV e a pinagem no Arduino
ESCs dos motores do ROV Pino no Arduino
ESC 1
2
ESC 2
3
ESC 3
4
As seguintes características da plataforma Arduino IDE foram reunidas para justificar
ainda mais sua escolha como circuito controlador das funcionalidades do ROV: a
plataforma de prototipagem Arduino possui uma linguagem de programação padrão que
é baseada essencialmente em C/C++, com as quais o desenvolvedor desse trabalho
possui maior afinidade, e é capaz de compilar e carregar programas para a placa sem a
necessidade de edição de makefiles ou de se precisar executar programas em ambientes
de linha de comando.
Todo código escrito para a plataforma do Arduino consiste basicamente em 2 etapas.
A primeira delas corresponde ao código da função setup (), que é a primeira função
chamada quando o código é iniciado, sendo essa a fase em que é inicializada a
configuração dos pinos e de variáveis. Essa função é executada apenas uma vez após
cada reset na placa do Arduino. A segunda etapa consiste no código referente à função
loop (), a qual contém os comandos que serão executados continuamente.
Durante a inicialização das bibliotecas, foi incluída a biblioteca Servo.h, para permitir
a associação de cada motor à criação de um objeto dessa classe. Para o interfaceamento
entre o controle do Playstation 2 com o microcontrolador, foi incluída biblioteca Ps2x.h que
realiza a leitura de todos os sinais enviados pelo controle e permite a correção de
eventuais erros que possam acontecer durante o estabelecimento da conexão com o
microcontrolador. Assim, foi criado o objeto ps2x da classe Ps2x.h.
Nesse trabalho, durante a primeira etapa, função setup () foi feita a criação de uma a
associação entre os fios componentes do controle (Clock, Command, Attention e Data) e
os pinos 13,10,11 e 12 para, em seguida, ser feita a detecção do controle pelo Arduino
Uno. No monitor serial da IDE (Integrated Development Environment) do Arduino Uno é
mostrado se a conexão e configuração do controle ocorreu com êxito ou não. É realizada
ainda a correspondência entre os cabos ligados a cada ESC e os pinos 2,3 e 4 e a
inicialização das demais variáveis globais.
Na segunda etapa, inicialmente é feita a verificação de erros, ou seja, se o controle
não tiver sido encontrado, a função loop () não é executada e o programa é interrompido.
38
Em seguida, é habilitada a leitura dos botões digitais e analógicos do controle através da
instrução ps2x.read_gamepad (). Foi, então, escrito o código correspondente à leitura dos
comandos enviados pelo joystick, o qual recebe os dados provenientes das posições dos
sticks esquerdo e direito e do acionamento dos botões R1 e R2, processa esses dados
recebidos, analisando se as coordenadas dos eixos horizontal e vertical satisfazem a
determinadas condições, que serão mostradas a seguir, e, de acordo com essa análise,
envia os valores correspondentes aos motores do ROV.
A resolução da conversão analógico- digital do joystick é de 8 bits. Logo, os valores
mínimo e máximo nos eixos horizontal e vertical de ambos os sticks correspondem a 0 e
255. Desse modo, para a realização do movimento de curva à esquerda, quando a posição
do stick esquerdo resultar em um valor digital entre 0 e 112, o motor direito do ROV é
acionado com a velocidade de rotação correspondente ao posicionamento do stick, ou
seja, quanto mais à esquerda estiver o stick, maior velocidade será conferida ao motor.
Um comportamento análogo a esse ocorre no movimento de curva à direita, quando o
stick esquerdo produzir um valor digital entre 134 e 255, acionando o motor esquerdo. Na
posição intermediária, entre 113 e 133, nenhum desses motores está em operação.
Para o movimento de seguir em frente, o botão R2 deve estar pressionado e o stick
esquerdo deve estar numa posição em que o valor no eixo vertical esteja entre 0 e 112, o
que faz com que os dois motores laterais sejam acionados com a velocidade
correspondente.
No movimento de imersão, o botão R1 deve estar pressionado e o stick direito deve
estar numa posição em que o valor no eixo vertical esteja entre 0 e 112, fazendo com que
o motor superior entre em operação com a velocidade de rotação correspondente.
3.7. SISTEMA DE VÍDEO
A ideia de implementação do sistema de vídeo para o ROV é acoplar diretamente uma
webcam, com o seu devido encapsulamento, ao veículo e transmitir o sinal de vídeo pelo
cabo USB até a superfície, onde estará conectado à porta USB do laptop. Esse é um
método simples, acessível e eficiente e que, por meio de softwares específicos, possibilita
tanto a transmissão de vídeo em tempo real quanto o processamento de sinal de vídeo,
como gravações.
Assim, foi adquirida uma webcam da marca Leadership com resolução máxima de até
5.0M Pixels, que pode ser vista na FIG 16, cujas especificações estão apresentadas na
TAB 5.
39
FIG 16: Câmera USB empregada
TAB 5: Especificações da câmera
Conexão PC
USB 2.0
Resolução máxima 5.0M Pixels
Formato do vídeo
RGC 24 Bits
Foco
5 cm ao infinito
Taxa de quadros
15 ~ 30 fps no modo VGA
Para sua montagem na tampa da estrutura, o primeiro passo foi retirar o dispositivo
clip, já que ele desperdiçaria espaço tendo em vista que não seria empregado. Após isso,
seguiu-se o procedimento que será indicado na seção 4.3.
A desvantagem existente nesse método gira em torno da qualidade do sinal
transmitido. O sinal transmitido via USB não é capaz de suportar mais do que 5 metros de
distância de acordo com (Wireless USB Specification Revision 1.1), sem perder sua
qualidade, ou seja, a partir dessa profundidade o sinal que chega à superfície não é mais
adequado à geração satisfatória de imagens. Para comprimentos de cabo maiores do que
5 metros, faz-se necessário o uso de equipamentos repetidores (boosters). Portanto, os
comprimentos dos cabos que compõem o umbilical devem ser maiores ou iguais ao da
câmera, tendo em vista que o comprimento desse último é o limitador.
O software utilizado é SplitCam, que é livre e permite visualização das imagens e
gravação de vídeos.
40
4. ESTRUTURA MECÂNICA
Para a escolha do material que comporá a estrutura do ROV, concluiu-se que existem
3 propriedades de grande relevância para a aplicação em questão, sendo a primeira e
mais importante delas a capacidade de resistência à corrosão pela água, já que o ROV
estará exposto a um ambiente subaquático.
Uma segunda propriedade a ser analisada é o peso do material, pois quanto maior a
massa, maior será a inércia, o que significa que haverá uma maior tendência de o veículo
permanecer no mesmo estado, dificultando sua mobilidade.
A terceira propriedade se refere à resistência aos esforços internos, que se traduz na
capacidade de não ocorrer deformação durante os movimentos.
O material da estrutura escolhida, que é um plástico rígido, atende ao principal critério
de resistência à corrosão pela água. O comportamento do material com relação às outras
duas propriedades deverá ser analisado mediante experimentos.
Tomando a capacidade de resistência à corrosão pela água como a propriedade mais
crítica para o objetivo desse trabalho, verificou-se em (Dahl Brothers Canada Limited, s.d.)
que o ferro galvanizado revestido por nylon seria uma boa opção para possíveis
aplicações de fixação de componentes externos à estrutura do ROV, uma vez que o ferro
galvanizado por si só apresenta uma camada de zinco aplicada que confere resistência à
corrosão ao ferro. Quando esse material é coberto por nylon, a propriedade de resistência
à corrosão se torna superior. Além disso, a camada colorida que reveste todo esse
conjunto eleva a resistência à abrasão e proporciona a impermeabilização.
Ainda, verificou-se empiricamente que, dadas as dimensões escolhidas para o ROV,
as forças internas não são capazes de causar deformações no ferro galvanizado revestido
por nylon.
O material selecionado apresenta ainda a vantagem de ser fácil de dobrar, o que facilita
o molde em diferentes formatos.
4.1. MODELAGEM DO ROV
O primeiro ponto a ser observado na definição do formato do ROV é que o mesmo
deve possuir um espaçamento apropriado para acomodar todos os componentes
eletrônicos que estarão embarcados, os quais são a bateria, os ESCs e a fiação.
Em seguida, é preciso estabelecer o plano de simetria do veículo a fim de se manter
a estabilidade na movimentação do ROV. Para a execução adequado dos movimentos
41
desejados, fez-se necessário definir o plano longitudinal, perpendicular ao piso, como
aquele ao qual todos os motores estarão localizados simetricamente.
Baseando-se nessas observações e no fato de que o projeto e a construção de
encapsulamentos específicos para os ESCs tomaria um tempo de execução
desnecessário, observou-se que seria mais simples a utilização de um recipiente fechado
como estrutura/invólucro do ROV.
A partir de pesquisas em torno de trabalhos já realizados por terceiros, percebeu-se
que o ideal para essa estrutura seria que ela possuísse um formato que possibilitasse o
posicionamento dos motores de curva de forma convergente, a fim de facilitar as
mudanças nas direções e a movimentação, possuísse o menor volume possível e que
fosse composta por um material resistente à corrosão pela água.
A fim de reduzir o tempo e o esforço que seriam despendidos no projeto e confecção
de um invólucro que satisfizesse todas essas características, resolveu-se buscar por uma
estrutura já existente que atendesse parte dessas necessidades mas que também
pudesse ser adaptada à aplicação de ROV.
4.2. ENCAPSULAMENTO DOS COMPONENTES ELETRÔNICOS
Inicialmente foram medidas as dimensões do motor a fim de se elaborar um projeto
de seu encapsulamento. Observou-se que todo o motor, excetuando-se os fios que o
conectam ao ESC, deveria estar protegido e que seria necessário a construção de um
extensor de eixo do motor para possibilitar a transmissão do movimento do motor às
hélices.
Assim, utilizando o software de CAD (Computer-Aided Design) SolidWorks, resolveuse empregar o formato de encapsulamento para o motor mostrado na figura 16. Na figura
17 (A) está exposta uma vista em corte da base da estrutura de encapsulamento, onde se
pode notar a presença de um orifício lateral que servirá para a saída dos fios do motor e
42
(A)
(B)
FIG 17: Vistas dos desenhos da estrutura de encapsulamento do motor. (A) Vista lateral da base.
(B) Tampa do encapsulamento do motor.
de orifícios na base com função de fixação do motor. Já na figura 17 (B), está exposta a
tampa da base, podendo-se observar na parte superior da peça o orifício por onde passará
o extensor do eixo.
Nas tabelas 6 e 7 estão apresentadas as dimensões da base e da tampa do
encapsulamento do motor.
TAB 6: Dimensões da base
Diâmetro interno
36 cm
Diâmetro externo
43 cm
Altura
35 cm
Diâmetro dos orifícios
4 cm
TAB 7: Dimensões da tampa
Diâmetro externo
43 cm
Diâmetro de encaixe
35 cm
Diâmetro interno
29 cm
Diâmetro do orifício
10 cm
Altura
22 cm
De posse dos arquivos dos desenhos gerados no SolidWorks, foi utilizada a
impressora 3D para a produção das peças.
O material empregado pela impressora 3D é o plástico ABS, o qual apresenta
propriedades de resistência à agua que satisfazem à finalidade desse projeto, sendo
capaz de suportar à pressão a que estará submetido o ROV.
43
Nas figuras 18 (A) e (B) estão ilustradas as imagens das peças já com o motor contido
em sua base. No orifício da tampa é encaixado um rolamento, o qual permitirá a rotação
do eixo.
(B)
(A)
FIG 18: Peças de encapsulamento do motor montadas. (A) Base do encapsulamento (B) Tampa do
encapsulamento
Vale ressaltar que a vedação dessa estrutura se dá por meio da aplicação de fita veda
rosca entre a base e a tampa e que os orifícios presentes são revestidos por cola de
silicone a fim de se realizar a vedação. O rolamento também é envolvido em fita veda
rosca de tal modo que ele fique preso à tampa, sem haver movimento relativo entre eles.
No desenho do extensor do eixo do motor, os únicos requisitos observados foram que
ele deveria possuir um formato compacto e cilíndrico e com diâmetro adequado ao
acoplamento das hélices. Desse modo, foi feito o projeto do extensor, que pode ser visto
na FIG 19 (A). A FIG 19 (B) mostra a peça confeccionada na impressora 3D. Na TAB 8
estão apresentadas as dimensões do eixo.
1
2
3
4
(A)
(B)
FIG 19: Extensor do eixo do motor. (A) Projeto no SolidWorks. (B) Peça produzida
44
TAB 8: Dimensões do extensor de eixo do motor
Diâmetro 1 3,9 mm
Diâmetro 2 5,5 mm
Diâmetro 3 9 mm
Diâmetro 4 13 mm
Altura 1
15 mm
Altura 2
25 mm
Altura 3
10 mm
Altura total
64 mm
Para promover um melhor acoplamento entre o extensor de eixo e o rolamento, foi
necessária a aplicação de fita veda rosca na altura em que o rolamento se encaixa no
eixo.
4.3. MONTAGEM
Primeiramente, foram necessários a remoção de todos os componentes internos ao
telescópio e o corte em sua metade, em um plano paralelo ao solo, a fim de avaliar a sua
estrutura interna e dar início às adaptações, o que pode ser visto na FIG 20.
FIG 20: Estrutura interna do ROV
A fim de proporcionar vedação quando o equipamento estivesse fechado, foi fixada
uma camada de liga de borracha, do tipo que pode ser encontrada em pneus de carros e
de bicicletas, na borda de separação entre as duas metades, como mostrado na FIG 21.
45
FIG 21: Vedação nas superfícies de separação
O passo seguinte foi avaliar a melhor localização para os motores laterais, que são
os que permitem a realização de curvas. Buscou-se encontrar posições nas quais fosse
possível fazer com que os motores ficassem fixos de forma convergente, levando em
conta também as condições anatômicas da estrutura. Assim, decidiu-se posicioná-los
como mostrado nas figuras 22 (A) e 22 (B), favorecendo à acomodação do
encapsulamento do motor e sua fixação da melhor forma possível.
(A)
(B)
(C)
(D)
FIG 22: (A) Vista lateral do motor (B) Vista superior dos motores (C) Encapsulamento do motor
fixo à estrutura (D) Posicionamento do motor de profundidade
Para a fixação dos encapsulamentos dos motores foram feitos orifícios tanto na
estrutura como nos encapsulamentos, a fim de evitar eventuais deslizes ou
movimentações indesejados provocados pela rotação do motor. Foi utilizado o ferro
galvanizado revestido por nylon ao redor do encapsulamento, unindo-o à estrutura por
meio de parafusos, o que está representado na FIG 22 (C).
46
Após isso, foram feitos três orifícios, para cada motor, a fim de servir de passagem
aos fios provenientes dos motores. Todos os orifícios foram vedados por meio de cola de
silicone.
Em seguida, foi realizada uma avaliação acerca da melhor localização do motor
responsável pela variação de profundidade do ROV. Nessa etapa, foi analisado que
deveria haver um peso na parte posterior da estrutura para balancear o da câmera, já que
ela estaria posicionada, necessariamente, na parte frontal. Assim, decidiu-se posicionar o
motor em um lugar que permitisse atingir, aproximadamente, um equilíbrio com a câmera,
o que pode ser visto na FIG 22 (D).
Conforme dito anteriormente, a câmera foi posicionada na parte frontal, tendo sido
necessário para isso fazer uma abertura circular na tampa de tal forma que seu raio fosse
um pouco maior que a lente da câmera. Depois foi colada uma camada de liga de borracha
para fins de vedação e uma lâmina de plástico rígido para permitir a visualização do
ambiente, visto na FIG 23 (A). Após isso, utilizando cola Durepoxi, a câmera foi
posicionada na altura desejada e fixa à tampa, como mostrado na FIG 23 (B).
(B)
(A)
FIG 23: (A) Abertura para visualização do ambiente (B) Posicionamento da câmera
TAB 9: Dimensões do ROV
Comprimento 33,5 cm
Largura
28 cm
Altura
25,6 cm
FIG 24: Estrutura do ROV
Em seguida, foi feito o acoplamento do extensor do eixo ao motor e a fixação da hélice
ao eixo por meio de parafusos. A FIG 24 apresenta a configuração final da estrutura do
ROV, cujas dimensões são apresentadas na TAB 9.
47
5. ORGANIZAÇÃO EXPERIMENTAL
A fim de realizar verificar o correto funcionamento dos sistemas do ROV, propõe-se os
seguintes experimentos em um tanque de água com 170 cm de comprimento, 52,5 cm de
largura e 38 cm de altura.
1) Movimentação em linha reta
O ROV deve se mover em linha reta ao longo da diagonal do tanque, conforme visto
na FIG 25. Para isso, conforme explicado na seção 3.6, os dois motores laterais devem
ser acionados.
Início
Fim
FIG 25: Vista superior do tanque para o experimento de movimentação em linha reta
2) Realização de curvas à esquerda e à direita
O ROV deve inicialmente se mover em linha reta e, em seguida, realizar uma curva à
direita, acionando o motor lateral esquerdo, em direção ao ponto médio do tanque. Ao
atingir esse ponto, ele deve se orientar à esquerda, acionando o motor lateral direito, a fim
de alcançar o ponto marcado em vermelho. A vista superior do tanque para essa trajetória
é mostrada na FIG 26.
Início
Fim
FIG 26: Vista superior do tanque para o experimento de realização de curvas
48
3) Variação de profundidade
O controlador do ROV deve acionar o motor vertical, que permitirá a imersão do
veículo, ou seja, o aumento de profundidade do mesmo. Para a emersão, o ROV faz uso
de uma flutuação positiva, ou seja, naturalmente o empuxo que ele sofre é maior que seu
peso, o que faz com que o mesmo tenda a subir. Os pontos de início e fim da trajetória
devem ser os mesmos, como visto na FIG 27.
FIG 27: Vista lateral do tanque para o experimento de variação de profundidade
Esses experimentos com o ROV imerso não puderam ser realizados, devido à
dificuldades encontradas na vedação dos encapsulamentos dos motores e dos extensores
de eixo. No entanto, foram realizados testes de controle dos motores por meio do joystick
e estes funcionaram de acordo com o esperado. Foram ainda feitos testes de visualização
do ambiente através da câmera, tendo como resultados imagens com nitidez suficiente
para permitir a observação do percurso do ROV. Assim, obteve-se um desempenho
satisfatório nos testes de controle dos motores e de observação.
Para solucionar o problema de vedação, uma possível alternativa seria empregar um
segundo rolamento no eixo de tal forma que fosse criada uma câmara de vácuo entre os
dois rolamentos, impedindo a passagem de água.
Assim, se os 3 experimentos mostrados nas figuras 25, 26 e 27 forem realizados com
êxito, considera-se que os objetivos foram alcançados.
49
6. CONCLUSÕES
Grande parte do meio subaquático ainda é desconhecida pelo homem, seja por sua
dimensão, seja pelas condições adversas do ambiente. Nessas situações, veículos
subaquáticos não tripulados passam a ser uma importante ferramenta, pois permitem
realizar inspeções, coletar dados, efetuar trabalhos de construção e instalação de
estruturas subaquáticas, etc. Além disso, eles possuem a capacidade de poder realizar
toda essa gama de atividades a altas profundidades e sem colocar em risco vidas
humanas.
Este trabalho discorreu acerca do conceito de veículos submersíveis e sistemas de
navegação, tornando-se possível a obtenção do conhecimento da teoria necessária à
construção de um veículo submersível. Foi feito um estudo sobre os sistemas
componentes de um ROV, tais como sistema de navegação inercial, sistemas umbilicais,
propulsão, sistemas de iluminação, manipuladores, sonares e microcontroladores,
expondo os pontos mais importantes que devem ser considerados no momento de
implementação do veículo. Em seguida, foi feito o projeto e implementação da estrutura
eletrônica, o que consistiu na conexão dos motores com os controladores de velocidade,
tendo sido estes diretamente conectados à placa do microcontrolador e à fonte de
alimentação. Foi ainda escrito o código para programação do Arduino e implementado o
sistema de vídeo. Após isso, foi realizada a construção da estrutura mecânica a fim de
acomodar todos os componentes eletrônicos.
O presente trabalho pretende contribuir com o desenvolvimento da robótica
subaquática no Brasil, principalmente de forma mais experimental, com o projeto e a
construção de um veículo submersível.
Sugere-se como trabalhos futuros a resolução dos problemas relacionados à vedação
do veículo, a remoção da placa de desenvolvimento Arduino e confecção de uma placa
de circuito impresso específica para a operação de controle dos movimentos do veículo,
o emprego de uma câmera de vídeo mais apropriada, com melhores resolução e qualidade
de sinal e com possibilidade de ajuste automático de foco, a junção dos cabos de
comunicação, de alimentação e da câmera de vídeo em um só umbilical, a substituição
do ESC conectado ao motor de variação de profundidade por outro que permita a inversão
do sentido de rotação.
50
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53
8. ANEXO
Esquemático do Arduino Uno
54