Centro Universitário Das Faculdades Associadas De
Ensino
Curso de Engenharia da Computação
ESTRUTURA DO ROV SUBAQUÁTICO
Elthon Henrique dos Santos
Welington Shigueo Mori
SÃO JOÃO DA BOA VISTA
2010
Elhton Henrique dos Santos
Welington Shigueo Mori
ESTRUTURA DO ROV SUBAQUÁTICO
Trabalho
apresentado
à
disciplina
de
Orientação de Projeto de Fim de Curso do
programa de Graduação em Engenharia da
Computação
Centro
Universitário
das
Faculdades Associadas de Ensino – São
João da Boa Vista.
Orientador: Prof. Ramiro.
SÃO JOÃO DA BOA VISTA
2010
Elthon Henrique dos Santos
Welington Shigueo Mori
Estrutura do ROV Subaquático
Trabalho apresentado a disciplina de
Orientação de Projeto de Fim de Curso
do programa de Graduação em
Engenharia da Computação Centro
Universitário das Faculdades Associadas
de Ensino – São João da Boa Vista.
Prof. M. Sc. Ramiro Romankevicius Costa - Orientador
Prof. (a) M. Sc. Luciana Abdo
Prof. M. Sc. Henrique Antônio Mielli Camargo
São João da Boa Vista, __ de ______ de 2010.
DEDICATÓRIA
Elthon Henrique dos Santos:
“Deus, por me presentear com uma família que sempre me
apóia, aos amigos que sempre proporcionam bons momentos e pelo meu caráter e
dignidade, que sempre me fazem ter coragem para seguir em frente”
Welington Shigueo Mori:
“Aos meus familiares por acreditarem em mim, pelo amor e carinho, e aos meus
amigos pelo incentivo e por estarem ao meu lado nos momentos bons e ruins”
AGRADECIMENTOS
Ao nosso orientador, Professor Ramiro Romankevicius, pela dedicação,
prontidão e paciência ao nos transmitir os conhecimentos necessários.
Aos familiares e amigos por todos os momentos.
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo propor a montagem da estrutura de um veículo
subaquático operado remotamente (ROV). O veículo será construído a partir de
materiais que possuam resistência à água e que não seja muito pesado, pois sua
densidade tem que estar próxima a da água para não afundar. A estrutura suportará
três motores, sendo dois na posição horizontal e um na posição vertical, dois para
virarem para esquerda e direita e um para subir e descer.
Palavras-Chave: Estrutura, Veículo subaquático operado remotamente, materiais,
água, densidade, motores.
ABSTRACT
This paper aims to propose the structure assembly of a remotely operated
underwater vehicle (ROV). The vehicle will be constructed from materials that have
resistance to water and not too heavy, because its density has to be close to the
water to stay afloat. The structure will support three engines, two horizontal and one
vertical,
two
to
turn
to
the
left
and
right
and
an
up
and
down.
Keywords: Structure, underwater remotely operated vehicle, materials, water, density
motors.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Forças atuantes sobre o submarino............................................................17
Figura 2: Funcionamento de submersão do submarino.............................................17
Figura 3: Equilíbrio Hidrostático.................................................................................25
Figura 4: Protótipo de estrutura do ROV....................................................................30
Figura 5: Base do cilindro de pressão........................................................................31
Figura 6: Cordão central.............................................................................................31
Figura 7: Lateral do ROV............................................................................................32
Figura 8: Base da estrutura........................................................................................32
Figura 9: Cilindro de pressão.....................................................................................33
Figura 10: “Berços” dos motores................................................................................33
Figura 11: Conexão do motor ao berço......................................................................34
Figura 12: Vista da estrutura de vários ângulos.........................................................34
Figura 13: Lastros de equilíbrio..................................................................................35
Figura 14: Preparação dos "Berços"..........................................................................36
Figura 15: Encaixando os "Berços" aos motores.......................................................36
Figura 16: Lacrando a entrada de água na estrutura.................................................37
Figura 17: Material para organização dos fios...........................................................37
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Densidades.................................................................................................17
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ROV
Veiculo Subaquático Operado Remotamente
PVC
Poli Cloreto de Vinila
13
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................14
1.1 Justificativa ...............................................................................................14
1.2 Objetivos....................................................................................................15
1.2.1 Objetivo Geral ........................................................................................15
1.2.2 Objetivos Específicos............................................................................15
2 REVISÂO DE LITERATURA .................................................................................15
2.1 História dos Submarinos..........................................................................15
2.2 História dos ROVs ....................................................................................18
2.3 Componentes de um ROV........................................................................21
2.3.1 Componente Estrutural e de Vaso de Pressão ...................................21
2.3.2 Componente de Vetorização de Empuxo e Propulsão .......................22
2.3.3 Componente de Emersão e Submersão ..............................................24
2.3.4 Componente de Visão Subaquática .....................................................26
2.3.5 Componente de Cabo Umbilical ...........................................................26
2.3.6 Componente de Carga Extra.................................................................27
2.3.7 Componente de Energia ou Potência...................................................27
3 MÉTODOS E TÉCNICAS.......................................................................................29
2.1 Montagem ..................................................................................................30
3.1.2 Base para o cilindro de pressão...........................................................30
3.1.3 Cordão central........................................................................................31
3.1.4 Lateral do ROV .......................................................................................31
3.1.5 Base da estrutura...................................................................................32
3.1.6 Cilindro de pressão ...............................................................................33
3.1.7 “Berços” dos motores...........................................................................33
4 RESULTADOS.......................................................................................................35
5 CONCLUSÃO ........................................................................................................38
6 TRABALHOS FUTUROS.......................................................................................38
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................39
14
1 INTRODUÇÃO
Este trabalho consiste em desenvolver uma estrutura adequada para um ROV
em ambiente subaquático.
Um ROV subaquático permite a observação remota do fundo do mar e
estruturas submarinas. A ligação entre o veículo e a superfície é assegurada por um
cabo umbilical que permite a comunicação bidirecional, assim como o transporte de
energia para o veículo.
A utilização do ROV permite a operação em águas profundas e durante um
período prolongado, que não seria conseguido com uso de mergulhadores. Além
disso, é possível a operação em águas contaminadas que representam um risco
para a vida humana.
Trata-se de um submarino, não tripulado, cuja finalidade principal é de apoio a
operações de poços de petróleo. O ROV é muito usado também em pesquisas
submarinas em geral, inclusive busca a destroços e pesquisa arqueológica embaixo
d água etc. Na indústria do petróleo é usado principalmente na operação de poços,
posicionamento, construção e inspeção, acompanhamento do trabalho de
mergulhadores etc.
1.1 Justificativa Os ROVs tiveram sua importância comprovada na exploração dos mares,
sendo muito utilizados em pesquisas submarinas na busca de destroços, pesquisa
arqueológica e em especial na indústria do petróleo, onde é usado principalmente na
operação de poços, posicionamento, construção e inspeção, acompanhamento do
trabalho de mergulhadores, etc.
Nos dias atuais o ROV se tornou uma ferramenta muito importante na
extração de petróleo. Possuindo múltiplas finalidades, desde a pesquisa e
prospecção até a exploração do fundo do mar.
Comprovando a importância dos ROVs na exploração dos fundos oceânicos,
em especial, na pesquisa de recursos minerais e marinhos, eles podem ser
15
produzidos numa variada gama de tamanhos e aplicações, os modelos vão desde
classes de equipamento para trabalhos sofisticados no piso marinho até instrumental
portátil, como será feito neste trabalho.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Geral
Projetar e montar um protótipo ROV de submersão em águas de baixa
profundidade, controlado por computador.
.
1.2.2 Objetivos Específicos
Definir como será feita a montagem da estrutura, qual formato, qual o material
utilizado, como serão acoplados os motores e onde será a posição dos mesmos no
ROV.
2 REVISÂO DE LITERATURA
2.1 História dos Submarinos
Leonardo da Vinci foi quem desenvolveu o primeiro projeto de uma
embarcação que pudesse submergir. Mas, devido a limitações tecnológicas da sua
época, tal empreendimento não foi possível ser executado.
Em 1771, foi construída a primeira embarcação capaz de operar submergido,
o submarino, que foi batizado com o nome de The American Turtle, ou A Tartaruga
Americana. De pequenas dimensões e movido pela força braçal dos tripulantes, foi
16
capaz de colocar um explosivo no barco britânico Eagle. O problema dos
predecessores dos modernos submarinos era que estes necessitavam da força
humana para poder operar e que rapidamente se esgotavam. Apenas após a
invenção do motor de combustão interna e dos motores elétricos é que o submarino
se tornou viável.
Os submarinos têm a forma de um charuto com extremidades afiladas e um
corpo arredondado. Eles possuem grandes tanques de lastro (cascos duplos com
espaços entre eles que servem tanto como tanques de água como tanques de ar),
que são inundados ou esvaziados dependendo da situação.
Até a década de 50, eles utilizavam motores a diesel ou gasolina quando
precisavam operar na superfície e elétricos quando estavam na submergidos. Por
isso precisava-se gastar muito tempo na superfície para assim poder carregar as
baterias elétricas.
Com a construção do Nautilus, o primeiro submarino a funcionar com energia
nuclear, podia-se operar durante anos submersos e sem necessitar de
reabastecimento, pois utilizando energia nuclear, podia-se produzir ar e água potável
para tripulação e outros usos.
O principio de funcionamento de um submarino esta relacionado com
conceitos físicos conhecidos como empuxo e peso. Quando mergulhamos um corpo
qualquer em um líquido, verificamos que este exerce sobre o corpo uma força de
sustentação, isto é uma força dirigida para cima, que tende a impedir que o corpo
afundasse no líquido. Você já deve ter percebido a existência desta força ao tentar
mergulhar, na água um pedaço de madeira, por exemplo. É também esta força que
faz com que uma pedra pareça mais leve quando imersa na água ou em outro
líquido qualquer. Essa força é conhecida como empuxo. A condição para que o
corpo esteja submerso ou não vai depender da relação entre o peso e o empuxo. Se
o peso for maior que o empuxo, o submarino vai afundar. Se o peso for menor que o
empuxo, ele flutua e quando o peso for igual ao empuxo e ficará no meio do liquido e
estará num estado chamado de flutuabilidade zero.
17
Figura 1: Forças atuantes sobre o submarino.
Fonte: rived.mec.gov.br
Para mergulhar os submarinos admitem água em seus tanques de lastro,
fazendo com que o ar seja liberado. Como o peso esta relacionado com a densidade
e a densidade da água é menor do que a densidade do ar, a densidade total do
submarino aumenta e conseqüentemente seu peso também adquirindo assim,
flutuabilidade zero, e navegará baixo da superfície da água. Quando os motores do
submarino são ligados, os lemes horizontais, presentes em sua estrutura externa,
possibilitam que ele mergulhe até a profundidade adequada.
Figura 2: Funcionamento de submersão do submarino.
Fonte: rived.mec.gov.br
Para voltar a superfície, os lemes horizontais são ajustados de forma a fazer o
submarino subir e a água dos tanques de lastro é expelida pela injeção de ar
comprimido nos tanques, como a densidade do ar é menor que a densidade da
18
água, isso faz com que o peso seja menor que o empuxo e assim ele consegue
emergir. Nos primeiros submarinos, a operação de remoção de água dos tanques
era feita através bombas de acionamento manual.
Os peixes também utilizam a relação entre empuxo e densidade para
controlar sua posição na água. A bexiga natatória é um órgão que auxilia os peixes a
manterem-se a determinada profundidade através do controle da sua densidade
relativamente à da água. É um saco de paredes flexíveis, e pode expandir-se ou
contrair de acordo com a pressão; tem muito poucos vasos sanguíneos, mas as
paredes estão forradas com cristais de guanina, que a tornam impermeável aos
gases.
Nem todos os peixes possuem este órgão: os tubarões controlam a sua
posição na água apenas com a locomoção; outros peixes têm reservas de tecido
adiposo para essa finalidade.
2.2 História dos ROVs
Com o passar do tempo os submersíveis foram sendo desenvolvidos e seus
sistemas de propulsão aprimorados, passando inicialmente por sistemas que
utilizavam como força motriz o homem: (remos, manivelas, etc.) a sistemas que
utilizavam inovações trazidas pela evolução humana (vapor, diesel, ar comprimido,
reações químicas, molas, gases, motores e energia nuclear).
Segundo Harris (1997), a primeira descrição de um submersível data de 1578,
quando William Bourne escreveu sobre um barco que possuía um sistema mecânico
simples que permitia variar o peso total, possibilitando assim que o mesmo ficasse
submerso. O princípio descrito por Bourne propunha uma embarcação com casco
duplo e pequenas aberturas (furos) no casco externo. Estas aberturas eram
fechadas por almofadas de couro localizadas entre os cascos, que podiam ser
recuadas para dentro, criando uma câmara inundada. Estas almofadas se
movimentavam através de um sistema de parafusos capazes de expulsar a água e
fechar as aberturas. Este mecanismo representava o primeiro sistema de flutuação
19
descrito para um submersível. O problema de renovação de ar interno foi resolvido
através de um tubo de respiração. Não há qualquer registro da forma de propulsão.
Um histórico do desenvolvimento dos primeiros submersíveis é apresentado
por Harris (1997), sendo descritos alguns dos equipamentos construídos ao longo de
diversas épocas:
•
1623 - o holandês Cornelis Van Drebbel construiu dois submarinos movidos a
remo, com o objetivo de realizar buscas e resgates em obras no leito do mar.
•
1776 – David Bushnell construiu o submersível chamado "tartaruga", por
assemelhar a uma tartaruga do mar, que flutuava verticalmente na água. Seu
sistema de propulsão era constituído por dois hélices, um horizontal e um vertical,
movidos a manivela.
•
1799 - o americano Robert Fulton construiu o Nautilus, que dispunha de
propulsão do hélice manual e era equipado com armas grosseiras de curto alcance.
Nas experimentações, o "Nautilus" conseguiu sustentar uma velocidade máxima
submersa de 2 m/s.
•
1856 - o submersível Ictinel, projetado pelo espanhol Narciso Monturiol, foi
lançado ao mar e permaneceu submerso por duas horas.
•
1878 - em Liverpool, o Reverendo George Garrett construiu um pequeno
submersível em forma de ovo. Um ano depois construiu o "Resurgam", que tinha 12
m de comprimento e utilizava vapor em sua propulsão. A grande dificuldade para
este equipamento referia-se à propulsão sob a água, que melhorou com a utilização
do motor elétrico. Entretanto, os primeiros geradores de eletricidade eram muito
pesados e as baterias acumuladoras eram muito grandes.
•
1886 - um oficial naval espanhol projetou um barco propulsionado por dois
motores de aproximadamente 22.370 W (30 hp) que usava energia armazenada em
acumuladores.
•
1887 - os franceses lançaram seu primeiro submarino, o Gymnote ou
“Enguia”. Suas baterias elétricas permitiam uma velocidade máxima teórica de 3,32
m/s. O Gymnote dependia inteiramente das baterias acumuladoras, que tinham de
ser recarregadas por um gerador em terra ou em outro navio.
•
1896 - foi construído o submersível Narval, que tinha dois sistemas de
propulsão: uma máquina a vapor de 164 kW para a navegação de superfície e um
motor elétrico de 60 kW para a navegação submersa, sendo que a máquina a vapor
20
podia girar um dínamo para recarregar as baterias, dando a este equipamento um
alcance efetivo que ultrapassou em muito o de todas as outras embarcações
elétricas já construídas.
•
Em seguida, a Holland Boat Company construiu um submersível que obteve
pleno êxito e que se chamou Holland. O projeto do Holland também apresentava um
sistema duplo de propulsão, porém usava um motor à gasolina de 33 kW.
•
1906 – é lançado o U-Boat, que tinha um motor Körting a querosene, cujo
desempenho era melhor do que o motor à gasolina dos Hollands. Apresentava,
entretanto, um grave inconveniente: soltava densas nuvens de fumaça, sinalizando a
todos sua localização.
•
Por volta de 1904, as principais linhas tecnológicas mais utilizadas nos
submersíveis já estavam definidas. Desde então, os três grandes marcos: a bateria
acumuladora elétrica, o motor elétrico e o motor a diesel como fontes propulsoras
foram continuamente melhorados. Somente após quase meio século surgiu algo
fundamentalmente inovador.
•
Em 1954 foi lançado ao mar o primeiro submarino movido à energia nuclear,
o americano Nautilus. Seu reator era capaz de gerar vapor para propulsionar seus
dois eixos motores.
Hoje existem exemplos de pequenos batiscafos tripulados capazes de atingir
profundidades superiores a 6000 m. Já em 1960, o Batiscafo Trieste de projeto suíço
atingiu uma profundidade acima de 10000m na fossa oceânica de Mariana levando
dois tripulantes. Esta marca só foi repetida em 1995 com o submersível não
tripulado Kaiko de fabricação japonesa; entretanto, este equipamento foi perdido
durante uma operação em 2003.
Também existem pequenos ROVs utilizados em pesquisas, dotados de
sistemas de foto-filmagem e braços mecânicos, capazes de recolher amostras e
efetuar pequenos consertos em estruturas subaquáticas.
No decorrer dos anos surgiram inúmeros submarinos que proporcionaram não
apenas que o homem alcançasse cada vez maiores profundidades, mas que várias
áreas da Tecnologia fossem beneficiadas com as inovações advindas do
desenvolvimento destes equipamentos submersíveis.
21
2.3 Componentes de um ROV
A. Componente Estrutural e de Vaso de Pressão;
B. Componente de Vetorização de empuxo ou direcionamento;
C. Componente de Propulsão;
D. Componente de Emersão e Submersão;
E. Componente de Visão Subaquática;
F. Componente do Cabo Umbilical;
G. Componente de Carga Extra;
H. Componente de Energia ou Potência;
2.3.1 Componente Estrutural e de Vaso de Pressão
A definição adequada do material a ser utilizado pelo sistema estrutural de um
ROV pode interferir no dimensionamento dos sistemas de potencia, na capacidade
de carga extra e conseqüentemente na autonomia, nos sistemas de atuadores e nos
sistemas sensoriais.
Alguns sistemas submersíveis construídos utilizam fibra de carbono reforçada
com resinas epoxy para a construção dos vasos de pressão principais, entretanto
existe uma dificuldade em seu processo de fabricação além do alto custo de
aplicação. Outros submersíveis têm apresentado técnicas avançadas de utilização
de materiais como o titânio e a cerâmicas como alternativas para o desenvolvimento
de suas estruturas.
Percebe-se também a utilização de gaiolas estruturadas que facilitam o
acoplamento e posicionamento de cada subsistema embarcado, além de agregar
proteção aos mesmos.
Em todos os ROV o componente de flutuação é estrategicamente posicionado
na parte superior dos ROV, enquanto que os subsistemas embarcados são
acondicionados em vasos de pressão hermeticamente fechados e localizados
abaixo dos flutuadores, garantindo que o centro de empuxo permaneça acima do
centro de massa.
22
As recomendações da NR-13 Norma Regulamentadora do Ministério do
Trabalho (BRASIL, 1978) que trata de caldeiras e vasos de pressão deverão ser
aplicadas aos equipamentos em que o resultado do produto da pressão vezes
volume (P.V) seja superior a 8 MPa.m³, sendo “P” a máxima pressão de operação
em MPa e “V” o volume interno em m³. A NR-13 estabelece que todo vaso de
pressão deverá sofrer inspeção extraordinária sempre que:
1.
O vaso for danificado por acidente ou outra ocorrência que comprometa sua
segurança;
2.
O vaso for submetido a reparo ou alterações importantes, capazes de alterar
sua condição de segurança;
3.
Antes de o vaso ser recolocado em funcionamento, quando permanecer
inativo por mais de 12 (doze) meses;
2.3.2 Componente de Vetorização de Empuxo e Propulsão
Segundo ISE (2000), quando um veículo submersível se movimenta com
velocidade constante, a propulsão gerada pelos propulsores se iguala à força de
arrasto produzida pelo veículo.
Para o componente de vetorização de empuxo é comum a utilização de dois tipos
principais.
•
Vetorização por superfícies direcionais;
•
Vetorização por posicionamento dos propulsores.
Segundo Jimenez (2004), a utilização do componente de manobrabilidade por
posicionamento dos propulsores ocorre principalmente nos ROV, e a utilização de
superfícies direcionais nos AUV.
Em engenharia naval, diferentemente da engenharia aeronáutica, o termo que
referencia os hélices de um propulsor é tratado no masculino, representando o
sistema de empuxo de uma embarcação.
Sendo os hélices um dos principais componentes dos sistemas de propulsão
utilizados em ROV, faz-se importante entender, através de uma breve revisão, seu
funcionamento e suas principais características.
23
Os hélices são constituídos por um núcleo, o cubo, ao redor do qual estão
dispostos e regularmente distribuídos um determinado número de aletas ou pás
(palas). A pá do hélice compreende uma superfície ativa, o cara (superfície externa),
que geralmente é um helicóide simples. Esta superfície está disposta na parte de
trás, em relação ao movimento do hélice. A superfície oposta, o dorso (superfície
interna), é geralmente arqueada. A seção transversal da pá se aproxima à dos perfis
de mínima resistência à penetração em fluidos. A pá está limitada por um contorno
cuja borda dianteira é denominada de bordo de ataque e a borda posterior de
bordo de fuga. A seção longitudinal da pá é constituída por uma espessura
decrescente do centro para a periferia. A união das pás com o cubo acontece
através das superfícies de adesão, que constituem um ponto de alta resistência dos
hélices.
Ainda segundo Nicolet e Brodbeck (1955), para definição do hélice é
necessário caracterizar: número de pás, diâmetro, passo e sua variação (se houver),
diretriz, natureza da geratriz, espessura sobre o eixo, espessura periférica, distância
da linha de espessuras máximas ao bordo de ataque, além de vistas frontais e
superiores que detalhem a forma do cubo e o contorno da pá.
Conforme o sentido de construção do hélice o comportamento do fluido de
propulsão é modificado. A determinação dos parâmetros do hélice permite a
construção de hélices capazes de gerar a mesma eficiência de propulsão nos dois
sentidos de rotação. Segundo o National Research Council (1996), os subsistemas
de propulsão definidos pelos diversos submersíveis ROV e AUV já construídos
apresentam as seguintes formas:
•
Propulsão Elétrica do Hélice;
•
Propulsão Hidráulica do Hélice (eletro-hidráulicos);
A
configuração
do
sistema
de
propulsores
deriva
das
tecnologias
desenvolvidas para embarcações. Os propulsores elétricos são normalmente
utilizados em ROV de baixo custo, enquanto os propulsores hidráulicos e eletroshidráulicos são utilizados em ROV das classes média, grande e ultra-profundos.
Os propulsores elétricos funcionam através da aplicação de uma diferença de
potencial elétrico entre seus pólos de ligação, enquanto o propulsor hidráulico utiliza
um diferencial de potencial hidráulico para o acionamento do hélice, sendo
necessária a utilização de todo um sistema capaz de suprir a demanda dos
propulsores e outros atuadores hidráulicos disponíveis no ROV.
24
Os propulsores elétricos são muito difundidos pela facilidade de utilização,
pelo baixo custo e pelo baixo consumo de potência, o que permite uma maior
autonomia do veículo. Estes equipamentos geralmente fornecem uma propulsão
mais eficiente comparada com a fornecida pelos propulsores hidráulicos.
Em síntese, para o desenvolvimento de um sistema de propulsão eficiente
para ROV, deve-se buscar a melhor relação entre o peso do submersível e sua
capacidade de carga extra, e o sistema de vetorização de empuxo, que refletirá em
uma menor demanda do sistema de potência.
2.3.3 Componente de Emersão e Submersão
Os subsistemas de emersão e submersão correspondem a uma parte critica
do projeto de ROVs.
São usualmente utilizados pelos ROV, permitindo o controle e o
posicionamento e determinadas profundidades. Podem ocorrer três configurações
diferentes de flutuabilidade em um veiculo submersível:
•
Flutuabilidade Positiva – ocorre quando a força de empuxo atuante sobre o
ROV é superior ao peso do ROV, fazendo com que o ROV entre em processo de
emersão;
•
Flutuabilidade Neutra – ocorre quando a força de empuxo atuante sobre o
ROV é igual ao peso do ROV, denominado ponto de equilíbrio do ROV. É o ponto de
estabilidade do ROV e pode ser alcançado em qualquer profundidade;
•
Flutuabilidade Negativa – ocorre quando a força de empuxo atuante sobre o
ROV é menor que o peso do ROV, fazendo com que o ROV entre em processo de
submersão.
25
Figura 3: Equilíbrio Hidrostático
Fonte: Fox e Mcdonald (1998)
A força de campo decorrente da gravidade atua no centro de gravidade (CG)
do objeto e a força devido ao empuxo atua no centro de empuxo (CE). Os ROVs
devem ser projetados de forma a garantir que o CG esteja sempre abaixo do CE.
Isto permite a formação de um conjugado de forças que tende a estabilizar o veículo.
A inversão das posições do CE e do CG provoca um conjugado de forças que tende
a girar o veículo.
Os ROVs adotam normalmente duas opções para controle de flutuabilidade:
flutuação neutra com sistema dinâmico composto por válvulas, tanques de lastro e
ar comprimido ou flutuação positiva com sistema de emersão e submersão por
acionamento de propulsores.
Segundo Bessa (2004), a automação aplicada ao posicionamento e
orientação de ROVs, utilizando sistema de controle, facilita o processo de teleoperação destes veículos. Este autor também afirma que com o crescente número
de trabalhos dedicados ao problema de posicionamento dinâmico de veículos
robóticos submarinos, faz-se necessário o desenvolvimento de um sistema
confiável, capaz de lidar com as não linearidades da dinâmica do veículo e com as
incertezas resultantes dos efeitos hidrodinâmicos.
Segundo Dorf e Bishop (1998) o sistema de controle é uma interconexão de
componentes que formam um sistema capaz de produzir uma resposta desejada.
Podem ser em malha aberta, isto é, sem realimentação (retroação), ou em malha
26
fechada, o qual utiliza uma medida adicional da saída real para comparar a saída
real com a resposta desejada. A introdução da retroação permite controlar uma
saída desejada e aprimorar a exatidão.
O subsistema de controle representa uma interface importante no
desenvolvimento de um ROV. Apesar de sua complexidade, a definição de um
sistema capaz de agregar todas as variáveis presentes na dinâmica de um veículo
submersível possibilitará a obtenção de melhor eficiência e precisão na execução
das tarefas destes equipamentos.
2.3.4 Componente de Visão Subaquática
O sistema de visão é normalmente composto por câmeras coloridas ou em
preto
e
branco,
hermeticamente
lacradas,
interligadas
via
cabo
a
um
microcomputador encarregado de enviar à central de controle as imagens coletadas
ao longo da jornada de trabalho do ROV.
2.3.5 Componente de Cabo Umbilical
O sistema de comunicação entre ROV e os operadores é normalmente
realizado através de um cabo composto por fibra-ótica e cabo de potência. Este
cabo, também denominado cabo umbilical, transmite aos operadores as informações
dos sensores presentes no ROV, as imagens das câmeras de vídeo, informações de
potência aplicada aos atuadores e outras informações que facilitam a operação
destes equipamentos e retornam ao ROV os comandos enviados pelos operadores
e a alimentação de energia.
A utilização da fibra-ótica permitiu que um maior fluxo de informações
trafegasse no cabo umbilical, agregando a possibilidade de utilização de diversos
tipos de sensores e gerenciamento em tempo real. Os cabos umbilicais utilizam um
revestimento
capaz
de
suportar
uma
tensão
de
trabalho,
definida
pelo
27
dimensionamento do ROV, e que imprime ao cabo uma flutuação neutra ou
negativa.
No dicionário Aurélio o termo umbilical significa "Do umbigo, ou relativo a ele",
como todos sabem é o cordão que liga a mãe ao seu filho durante a gestação. Em
se tratando de ROV o "Umbilical" é o cabo que o liga a plataforma, sonda ou navio.
Assim como no ser humano o umbilical do ROV é um elo vital fornecendo a
necessária energia e comunicação entre as partes componentes do sistema, por ele
trafegam sinais elétricos e eletrônicos através de cabos elétricos e fibras ópticas.
Estes tipos de cabo além de serem longos devem possuir propriedades
mecânicas, elétricas bem definidas e confiáveis.
2.3.6 Componente de Carga Extra
A determinação da carga extra suportada por um veículo submersível
influencia no projeto básico da plataforma do submersível, na capacidade do sistema
de potência e na eficiência do sistema de propulsores. Segundo o National Research
Council (1996), o subsistema de carga extra inclui:
•
Sistemas de trabalho (manipuladores, ferramentas, etc);
•
Sistema de sensores (acústico, ópticos, gravidade, profundidade, magnético,
temperatura, etc);
•
Sistemas de potência.
As dimensões e o peso de cada carga extra incorporada ao veículo submersível
modificarão o tamanho, a massa e a potência necessária para a propulsão do
mesmo.
2.3.7 Componente de Energia ou Potência
Os ROV utilizam normalmente sistema de potência externo provido por uma
fonte de alta-tensão. A energia é transmitida pelo cabo umbilical e convertida para
os diversos níveis de tensão utilizados pelos subsistemas embarcados no ROV.
28
Apesar de esta prática ser bastante comum, a utilização desta concepção tem
dois problemas: o alto custo do cabo e o alto risco associado ao uso de alta-tensão.
Poucos ROV utilizam sistema de potência embarcado, por ser este um
limitador da carga extra suportada pelo veículo, e do tempo de autonomia do
mesmo. Entretanto, existem algumas vantagens na utilização deste tipo de sistema:
redução do diâmetro do cabo umbilical, com conseqüente redução na interferência
do mesmo no controle do ROV e no custo final e redução dos riscos inerentes à
utilização da alta-tensão.
Segundo National Research Council (1996) a definição do sistema de
potência a ser adotado no veículo submersível afetará sua autonomia e sua
capacidade de carga extra.
Freqüentemente a fonte de energia é avaliada em termos de potência, mas
poder-se-á referenciá-la também em ter mos de energia específica (Watt-hora por
quilograma) ou em termos de densidade de energia (Watt-hora por litro).
Baterias são normalmente utilizadas em ROVs, seja como fonte secundária
de energia ou como fonte primária. São divididos em três tipos de sistema de
potência: baterias recarregáveis, baterias não recarregáveis e células combustível.
As células combustíveis são dispositivos que funcionam por reações eletroquímicas
entre um reagente e um oxidante produzindo eletricidade.
Fatores importantes na seleção da bateria incluem: a capacidade de fornecer
a quantidade de energia na medida necessária, confiabilidade, facilidade e
velocidade de recarga e possibilidade de operar em condições adversas, tais como
sob grandes variações de temperatura e de pressão.
As considerações da segurança aplicadas a sistemas de potência
embarcados em ROVs são críticas e limitam o uso de algumas baterias, tais como a
de lítio, que apesar de sua elevada capacidade de fornecimento de energia podem
gerar gases explosivos durante a operação ou podem pegar fogo se falharem.
29
3 MÉTODOS E TÉCNICAS
Neste capitulo será explicado como foi feita a montagem da estrutura, qual o
material utilizado, como serão acoplados os motores e onde será a posição dos
mesmos no ROV.
Dentre os materiais que existem no mundo como madeira, aço, ferro, plástico,
alumínio e outros, para esse projeto foi escolhido o PVC. Pois ele possui densidade
próxima da água, é muito rígido e suas conexões são fáceis de achar no mercado,
com isso pode ser feito vários tipos de estruturas, desde cubos até outros formatos,
além do preço acessível que ele possui.
Essa estrutura foi feita visando custo/beneficio, pois ela não é muito
sofisticada.
Tabela 1: Densidades
Densidade da Água
Densidade do PVC
1,0 g/cm3
1,38 a 1,50 g/cm3
Fonte: Vick e Eureka
Como a maioria dos ROVs utilizados hoje em dia, da classe de observação,
ter a forma de quadrado ou retângulo, neste caso foi determinado que a estrutura
será na forma de prisma com base retangular e já que ela tem esta forma, portanto
não se sustenta em pé, mas como o centro de empuxo esta acima do centro de
gravidade o ROV fica estável quando submergido.
Uma das partes dessa pirâmide servirá como base para um cilindro de
pressão que tem como função equilibrar o ROV e de armazenar a placa de controle.
A figura a seguir mostra um protótipo de estrutura do ROV.
30
Figura 4: Protótipo de estrutura do ROV.
Fonte: Própria
3.1 Montagem
Uma listagem completa dos componentes utilizados na montagem do projeto
é a seguinte:
•
T’s
•
Joelhos com ângulo de 90 º
•
Joelhos com ângulo de 45 º
•
Canos de PVC de vários tamanhos
•
T’s de redução 40*25 (“Berços” para os motores)
•
Cola de PVC
3.1.2 Base para o cilindro de pressão
Para a montagem de uma das bases para o cilindro de pressão foi necessário
utilizar alguns T’s dos materiais encaixados através de canos de 18 Cm para a
largura e de 15 Cm para a altura sendo que na parte inferior do quadrado foi
adicionado um T que servirá de ligação para com o berço do motor lateral.
31
Figura 5: Base do cilindro de pressão.
Fonte: Própria
3.1.3 Cordão central
O cordão central tem como objetivo abrigar o berço do motor do meio e este
controlará a emersão e submersão do ROV na água. Conectado a partir de dois
canos de 7,5 Cm tem também outro objetivo que será o de ligar as duas partes
laterais da estrutura.
Figura 6: Cordão central da estrutura.
Fonte: Própria
3.1.4 Lateral do ROV
A outra parte da lateral do ROV que será na forma de um triângulo e servirá
para deixar a estrutura mais pesada e conseqüentemente mantê-lo submerso
atingindo assim o “Equilíbrio Perfeito” que significa onde o ROV ficar dentro d’água
ele permanecerá mesmo com os motores desligados.
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Para a montagem foi utilizado um cano de 30 Cm para a altura e este fixado a
dois canos de 45° e acoplados a base do cilindro de pressão.
Figura 7: Uma das laterais do ROV completa.
Fonte: Própria
3.1.5 Base da estrutura
Como a estrutura ficaria muito instável na água se ficasse só unido a partir do
cordão central foi necessário acoplar as laterais um cano de 30 Cm de comprimento.
Tais canos possibilitam que a estrutura fique mais firme e estável quando estiver
submerso.
Figura 8: Canos que ligam as laterais do ROV.
Fonte: Própria
33
3.1.6 Cilindro de pressão
O cilindro de pressão será a peça-chave para manter o ROV dentro d’água,
pois dentro dele será colocado o peso necessário para deixá-lo submerso e existe a
intenção também de se colocar a placa de circuito.
Figura 9: Cilindro de pressão.
Fonte: Própria
3.1.7 “Berços” dos motores
Para a montagem dos berços dos motores foi necessário cortar algumas
partes desnecessárias dos T’s de redução para que uma parte do motor ficasse para
fora e poderá ser encaixada a hélice, depois de cortados serão acoplados a
estrutura e controlarão a emersão, a submersão e a direção do ROV. A figura 10
mostra o cano já cortado e o motor a ser encaixado.
Figura 10: “Berços” dos motores.
Fonte: Própria
34
Figura 11: Motor sendo encaixado ao berço.
Fonte: Própria
As figuras a seguir mostram o ROV visto de vários ângulos.
Figura 12: Estrutura por vários ângulos.
Fonte: Própria
35
4 RESULTADOS
A partir da montagem da estrutura e da realização de alguns testes na água
foi constatado que a estrutura de PVC ficou muito leve e o cilindro de pressão não
afundava mesmo com o peso dentro utilizado, sendo necessário ser substituído por
dois canos de 30 Cm cada e acoplados ao ROV, um na parte de baixo e outro nas
costas conforme mostra a figura 13:
Lastro de empuxo
Lastro de peso
Figura 13: ROV com os lastros para equilibrar o peso.
Fonte: Própria
Dentro do Lastro de peso foram colocados quatro pedaços de barra de ferro
pesando 300 g cada para manter o ROV submerso, o Lastro de empuxo que não
contém nada dentro serviu para mantê-lo com flutuabilidade neutra, pois quando
colocado na piscina afundava e ficava encostado no fundo, depois com os dois
canos fixados e o peso equilibrado a estrutura mostrou-se confiável e estável na
água atingindo assim o “Equilíbrio Perfeito” que significa onde o ROV ficar dentro
d’água ele permanecerá mesmo com os motores desligados.
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Outro problema constatado foi que os motores não se encaixavam dentro dos
berços, pois a largura do motor é 4,1 Cm e a do cano 4 Cm, e como o PVC por ser
um material plástico sólido que se apresenta na sua forma original, como um pó é
leve, quimicamente inerte e completamente inócuo, por isso foi necessário deixá-lo
em uma panela submerso em água fervente e após um período sua estrutura
começa a dilatar assim foi encaixado ao corpo do motor como mostram as figuras a
seguir.
Figura 14: Berço sendo preparado.
Fonte: Própria
Figuras 15: Berço sendo encaixado ao corpo do motor.
Fonte Própria
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Assim que colocado na água outro problema encontrado foram as “aberturas”
que permitiam a entrada de água dentro da estrutura fazendo com que o ROV
perdesse o equilíbrio e virasse de um lado para o outro conforme a água pesasse
para um dos lados.
Para se vedar essas “entradas” foram utilizadas três pedaços de madeira,
cortados de um cabo de vassoura e colados na parte superior dos TB’s, depois
fixado os berços na estrutura como mostra a figura 16.
Figura 16: Cabo de vassoura sendo cortado.
Fonte: Própria
Após testes realizados com essas alterações, foi acoplada a estrutura um
joelho de 45° que irá “agrupar” os fios dos motores, sendo utilizadas braçadeiras
para prendê-lo como mostra a figura 17:
Figura 17: ROV montado com a parte de organização dos fios.
Fonte: Própria
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Ante as dificuldades apresentadas e algumas mudanças feitas à estrutura, o
projeto apresentou uma melhora na submersão na água, porém, todos os maiores
problemas foram sanados. Comprovando a sua funcionalidade conforme descrito no
projeto.
5 CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou uma descrição geral de como montar uma estrutura
para um ROV, assim como a forma e o material utilizado, como realização de testes
dentro da água. Os objetivos propostos inicialmente para este trabalho eram projetar
e montar um protótipo ROV de submersão em águas de baixa profundidade
controlado por computador, no nosso caso, definir como será feita a montagem da
estrutura, sua forma, material e como serão acoplados os motores e a posição dos
mesmos.
Pelo que foi apresentado ao longo do texto e dos resultados obtidos durante
os testes realizados na água, conclui-se que o mesmo atendeu de maneira
satisfatória aos objetivos propostos, pois é capaz de realizar todas as ações
previstas.
Varias dificuldades foram encontradas durante o desenvolvimento deste
trabalho, sendo que a principal deles foi afundar até o fundo dentro de águas
quentes. Isso pode ser melhorado em trabalhos futuros, pois a estrutura permite
melhorias.
Por fim o desenvolvimento deste trabalho pode auxiliar estudantes e
professores na área de ROVs subaquáticos, pois possui a implementação de vários
conceitos importantes para esta área e pode servir como base para o
desenvolvimento de trabalhos futuros.
6 TRABALHOS FUTUROS
Com o objetivo de aprofundar ou dar continuidade a alguns aspectos não
abordados ou citados de forma superficial, no presente trabalho de pesquisa são
39
descritas para trabalhos futuros.
Uma sugestão seria o acoplamento do cilindro de pressão a estrutura, pois, a
estrutura foi projetada para isso e o cilindro de pressão permitirá adicionar a webcam
e a placa de circuito e conseqüentemente remodelar a estrutura para adicionar faróis
que permitirão uma visualização melhor embaixo d’água.
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