UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DIRETORIA DE GRADUAÇÃO E EDUCAÇÃO PROFISSIONAL
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE INFORMÁTICA
CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
ANDRÉ MATHEUS FEDALTO
ARTHUR FLORIANI MARTINS
BRUNO SILVA KINOPF
PAULO NESELLO KÜNZEL
RENAN MATSUNAGA PEREIRA
Desenvolvimento da estrutura e dos sistemas de
flutuabilidade e movimentação de um ROV (veículo submarino
operado remotamente).
TRABALHO DE DISCIPLINA – OFICINA DE INTEGRAÇÃO 3
CURITIBA
2014
ANDRÉ MATHEUS FEDALTO
ARTHUR FLORIANI MARTINS
BRUNO SILVA KINOPF
PAULO NESELLO KÜNZEL
RENAN MATSUNAGA PEREIRA
Desenvolvimento da estrutura e dos sistemas de
flutuabilidade e movimentação de um ROV (veículo submarino
operado remotamente).
Trabalho
de
Disciplina
de
Graduação – Oficina de Integração 3,
apresentado ao Curso de Engenharia de
Computação,
do
Departamento
Acadêmico
de
Eletrônica
e
do
Departamento Acadêmico de Informática,
da Universidade Tecnológica Federal do
Paraná – UTFPR, como requisito parcial
para obtenção da aprovação na disciplina.
Professor(es):
Guilherme
A.
Schneider / Gustavo B. Borba
CURITIBA
2014
RESUMO
Este projeto consiste na construção de um veículo submarino operado remotamente
(ROV). Para tal feito, o projeto é dividido em três partes que se comunicam entre si,
enviando e recebendo dados: estação base, boia de comunicação e ROV. A estação
base é representada por um Joystick adaptado, que possui recursos de movimentação
nos eixos X, Y e Z. A boia de comunicação possui um microcontrolador que recebe os
dados do Joystick por rádio frequência e envia para o ROV via comunicação serial e
vice-versa. O ROV é o artefato que irá se locomover tanto na superfície, quanto
submerso, obtendo dados a partir de sensores alocados a ele e enviando-os a estação
base a partir da boia de comunicação.
Palavras-chave: ROV. Tether. Boia de comunicação. Estação base. Comunicação
sem fio. Comunicação serial. Motores de propulsão. Sensores.
ABSTRACT
This project involves the construction of an “remotely operated underwater vehicle”
(ROV). The project is divided into three parts connected sending and receiving data:
base station, buoy communication and ROV. The base station is represented by an
adapted joystick, which has features of movement in the X, Y and Z axes of
communication The float has a microcontroller that receives the data from Joystick by
radio frequency and sends it to the ROV by serial communication and otherwise. The
ROV is the artifact that will get around both on the surface, the submerged, obtaining
data from sensors allocated to it and sent them to the base station from the buoy
communication.
Keywords:
ROV.
Tether.
Buoy
communication.
Base
station.
communication. Serial communication. Propulsion engines. Sensors.
Wireless
LISTA DE ILUSTRAÇÔES
Figura 1 - Esboço do projeto........................................................................... 13
Figura 2 – Princípio de Arquimedes ................................................................ 20
Figura 3 – Modulação da amplitude de onda senoidal ................................... 23
Figura 4 – Modulação da frequência em onda senoidal ................................. 23
Figura 5 – Modulação de fase de onda senoidal ............................................ 24
Figura 6 - Movimentação da Hélice ............................................................... 29
Figura 7 - Foto do microcontrolador acoplado ................................................ 30
Figura 8 - Foto do cabo................................................................................... 31
Figura 9 - Foto do cabo................................................................................... 32
Figura 10 - Estrutura do ROV com pesos e flutuadores a fim de aproximar-se
da densidade da água ............................................................................................... 33
Figura 11 – Tabela de algumas hélices e suas especificações ...................... 34
Figura 12 - Projeto da cápsula evidenciando o microcontrolador (em vermelho),
os reguladores de tensão (em verde), a bateria (em preto) e a estrutura interna (em
branco) ...................................................................................................................... 35
Figura 13 - Projeto da cápsula evidenciando os controladores dos motores (em
amarelo) e a estrutura interna (em branco). .............................................................. 35
Figura 14 - Chapa de alumínio 10x150cm ...................................................... 36
Figura 15 - Invólucro da bateria. ..................................................................... 36
Figura 16 - Placas laterais de suporte. ........................................................... 37
Figura 17 - As placas foram soldadas no suporte da bateria .......................... 37
Figura 18 - Barra rosqueada dando suporte às placas laterais e, no detalhe, o
parafuso que trava a bateria...................................................................................... 38
Figura 19 - Aparência final da estrutura .......................................................... 38
Figura 20 - Estrutura encaixada perfeitamente no cano PVC. ........................ 39
Figura 21 - Circuito utilizado na placa de reguladores de tensão. .................. 40
Figura 22 - Esquema de montagem dos componentes na placa. ................... 40
Figura 23 - Circuito utilizado na placa de controle de velocidade e direção dos
motores. .................................................................................................................... 41
Figura 24 - Esquema de montagem dos componentes na placa. ................... 42
Figura 25 - Placa montada, ainda sem os dissipadores de calor. ................... 42
Figura 26 - Dissipador para evitar o superaquecimento do FET. .................... 43
Figura 27 - Parafusos usados como suporte das placas. ............................... 43
Figura 28 - Placas fixadas na estrutura da cápsula. ....................................... 44
Figura 29 - Vista interna da cápsula, estando o lado oposto vedado com a tampa
adaptada. .................................................................................................................. 45
Figura 30 – Diagrama de comunicação entre Estação Base e Cápsula ......... 46
Figura 31 – Módulos de Comunicação sem Fio (Texas Instruments). ............ 48
Figura 32 – CC110L acoplado a um micro controlador (Texas Instruments). . 48
Figura 33 – Mapa de pinos do Stellaris (Energia) ........................................... 51
Figura 34 – Joystick Logitech Attack 3, em destaque o potenciômetro traseiro
.................................................................................................................................. 53
Figura 35 – Circuitos internos do joystick ....................................................... 53
Figura 36 – Pinos de dados “interceptados” ................................................... 54
Figura 37: Parte do diagrama de resposta dos motores ao joystick ............... 57
Figura 38 – Foto de um metro de cabo com duas bolas de isopor ................. 59
Figura 39 - Cabo isolado com epóxi na parte externa .................................... 60
Figura 40 - Cabo isolado com epóxi na parte interna ..................................... 61
Figura 41 - Testes de isolamento do tether na boia ........................................ 61
Figura 42 - Cola utilizada para fazer a vedação ............................................. 62
Figura 43 – ACS712-30A ................................................................................ 63
Figura 44 - Foto da estrutura com pesos e boias ........................................... 66
Figura 45 - Foto da estrutura na água ............................................................ 66
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Vetor de 10 bytes - Estação Base -> Cápsula ................................ 46
Tabela 2: Vetor de 30 bytes - Cápsula -> Estação base................................. 47
Tabela 3 – Correspondências entre cores e funcionalidades. ........................ 54
Tabela 4: Valores de corrente nos motores quando testados no ar e na água
.................................................................................................................................. 63
Tabela 5: descarga bateria UP12120. Em destaque a região de operação do
ROV. ......................................................................................................................... 64
Tabela 6 – Componentes, quantidades e custo total do projeto. .................... 70
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS
ROV – Remote operated “underwater” vehicle
DIY – Do It Yourself
Tether – “Cordão Umbilical” que liga a boia de comunicação ao ROV,
responsável pela comunicação serial.
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ......................................................................................... 11
1.1
TEMA ................................................................................................... 11
1.2
DELIMITAÇÃO DO ESTUDO ............................................................... 12
1.3
PROBLEMA ......................................................................................... 14
1.4
OBJETIVOS ......................................................................................... 14
1.4.1
1.4.2
Objetivo Geral .................................................................................. 14
Objetivos Específicos ....................................................................... 14
1.5
JUSTIFICATIVA ................................................................................... 15
1.6
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS............................................. 15
1.7
EMBASAMENTO TEÓRICO ................................................................ 16
1.8
ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................. 17
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................... 18
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
ESTRUTURA ....................................................................................... 18
ROV ................................................................................................. 18
Cápsula ............................................................................................ 19
Boia de comunicação ....................................................................... 19
2.2
HIDRODINÂMICA ................................................................................ 20
2.3
SISTEMA DE VEDAÇÃO ..................................................................... 21
2.4
SISTEMA DE COMUNICAÇÃO ........................................................... 22
2.4.1
2.4.2
Serial ................................................................................................ 22
Rádio Frequência ............................................................................. 22
2.5
SISTEMA DE ENERGIZAÇÃO ............................................................ 24
2.6
MOTORES ........................................................................................... 26
2.7
MOVIMENTAÇÃO ................................................................................ 26
2.7.1
2.7.2
2.7.3
Movimentação Vertical: .................................................................... 26
Mergulho Estático: ........................................................................... 27
Movimentação horizontal ................................................................. 28
3
DESENVOLVIMENTO ............................................................................. 30
3.1
BOIA..................................................................................................... 30
3.2
TETHER ............................................................................................... 31
3.3
ESTRUTURA ....................................................................................... 32
3.4
CÁPSULA ............................................................................................ 34
3.5
COMUNICAÇÃO .................................................................................. 45
3.5.1
3.5.2
3.5.3
Protocolo de Comunicação .............................................................. 46
Comunicação sem fio....................................................................... 47
Comunicação serial.......................................................................... 50
3.6
INTERFACE DE CONTROLE .............................................................. 52
3.7
CALIBRAÇÃO ...................................................................................... 54
3.7.1
3.7.2
3.8
4
Análise ............................................................................................. 55
Tratamento ....................................................................................... 56
LÓGICA DO CONTROLE DOS MOTORES ......................................... 56
TESTES DE CAMPO ............................................................................... 58
4.1
TESTES DO TETHER.......................................................................... 58
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.4
Testes de sinal ................................................................................. 58
Testes de flutuabilidade ................................................................... 58
Testes de flexibilidade...................................................................... 59
Testes de isolamento ....................................................................... 60
4.2
TESTES DOS MOTORES ................................................................... 62
4.3
TESTES DE AUTONOMIA DA BATERIA ............................................ 63
4.4
TESTES DO SISTEMA DE COMUNICAÇÃO ...................................... 64
4.5
TESTES DE FLUTUABILIDADE .......................................................... 65
4.6
TESTES DE NAVEGABILIDADE ......................................................... 67
5
5.1
6
CONCLUSÃO .......................................................................................... 68
TRABALHOS FUTUROS ..................................................................... 71
REFERÊNCIAS ........................................................................................ 73
APÊNDICE(S) ................................................................................................ 77
APÊNDICE A – CRONOGRAMA .................................................................... 77
APÊNDICE B – RISCOS ................................................................................ 82
APÊNDICE C – CÓDIGO FONTE: ESTAÇÃO BASE ..................................... 96
APÊNDICE D – CÓDIGO FONTE: BOIA ........................................................ 96
APÊNDICE E – CÓDIGO FONTE: CÁPSULA ................................................ 96
11
1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo serão expostos o tema, a justificativa e o problema, descrevendo
em detalhes seus objetivos e delimitações. Através de um breve embasamento teórico
sobre o projeto, construção e uso de ROVs (Remote operated “underwater” vehicle),
serão descritas as metodologias usadas para o desenvolvimento deste trabalho.
1.1
TEMA
Os veículos submarinos existentes podem ser divididos em dois grupos: os
tripulados e os não tripulados. Ainda o grupo dos veículos submarinos não tripulados
pode ser dividido novamente em dois outros subgrupos: os autônomos e os operados
remotamente. A título de curiosidade os veículos não tripulados autônomos operam
sem a necessidade de serem controlados por uma pessoa, por vezes não
necessitando nem de recarga em suas baterias uma vez que vão até a superfície para
se auto recarregar através de painéis solares. Já os veículos não tripulados, tema
deste trabalho, são operados remotamente e necessitam de constante controle e
supervisão, sendo imprescindível para sua operação a comunicação ininterrupta entre
o veículo e a base (Christ & Wernli, 2014).
Um veículo submarino não tripulado operado remotamente (chamado de
ROV, do inglês “remote operated underwater vehichle”) é basicamente um robô que
funciona embaixo d’água e pode ser operado à distância e de um ambiente adequado
(Marine Technology Society, 2014). Devido à dificuldade de comunicação sem fio por
grandes distâncias quando o veículo está imerso na água, existe a necessidade de
uma conexão física através de cabos (chamados de tether), com a base de controle
(Marine Technology Society, 2014).
O primeiro ROV com tether foi desenvolvido em 1953 por Dimitri Rebikoff e se
chamava POODLE. Os primeiros avanços tecnológicos significativos na área, porém,
só vieram na década de 1960, fruto de investimentos da marinha norte-americana com
o intuito de desenvolver robôs capazes de recuperar objetos perdidos durante testes
em alto-mar. Avanços posteriores se devem a empresas privadas que viram no ROV
uma oportunidade de negócio, principalmente nas indústrias de gás e petróleo. A partir
12
da década de 1980 os ROVs se tornaram imprescindíveis para empresas que operam
em alto mar, já que havia a necessidade de atingir profundidades impossíveis para
um mergulhador (Christ & Wernli, 2014).
Desde então os ROVs vêm sendo utilizados para as mais variadas funções.
Na indústria, seu uso ocorre para fazer desde inspeções de estruturas até operações
de soldagem para realizar conexões no leito do oceano. São usados também em
monitoramento do ambiente aquático, coleta de amostras de água e da fauna e flora
de alta profundidade (Marine Technology Society, 2014). Há o uso também em
investigações e outras infinidades de tarefas, cabendo ao usuário utilizá-lo
adequadamente a tarefa que pretende realizar. De um modo geral o uso de ROVs se
justifica para evitar a exposição de mergulhadores em situações de perigo muito
comuns em ambientes aquáticos de águas turvas ou a águas profundas ou
contaminadas (Toronto Police Service, 2014).
Desde o primeiro ROV, desenvolvido em 1953, até os ROVs mais atuais,
houve um avanço tecnológico substancial, inclusive com ROVs visitando o ponto mais
profundo dos oceanos: a Depressão Challenger, na Fossa das Marianas (JAMSTEC,
2001) (Oceanus, 2006). Porém a maioria dos ROVs disponíveis no mercado possuem
um custo elevadíssimo (contratos anuais girando acima de 50 milhões de reais),
tornando seu uso impossível em atividades cotidianas (Christ & Wernli, 2014).
Desta forma, o objetivo deste trabalho é desenvolver um ROV de baixo custo
para que possa ser usado sob condições limitadas, mas atendendo aos requisitos
estipulados na disciplina de Oficina de Integração 3, que são: possuir um sistema
embarcado que se comunique, sem fio, com uma estação base.
1.2
DELIMITAÇÃO DO ESTUDO
O objetivo deste projeto é desenvolver um ROV de baixo custo e que opere sob
condições restritas. De modo que para atingir objetivos, o foco do estudo é direcionado
para veículos submergíveis não tripulados operados remotamente, em específico os
“home-made” (feitos em casa). Para tanto, dispõe-se de um orçamento limitado em
mil reais (R$ 1.000,00), deste modo, o ROV projetado tem algumas limitações.
Basicamente, o projeto será dividido em 3 partes: ROV, boia de comunicação e
uma estação base de controle. Em cada uma dessas partes haverá sistemas
13
embarcados para realizar a comunicação entre as mesmas e assim juntas fazer o
controle do ROV, das quais devem enviar e receber dados consistentes a fim de obter
uma comunicação robusta. Na Figura 1 pode ser observado de forma simplificada as
três partes do projeto.
Figura 1 - Esboço do projeto
Fonte: autoria própria
O ROV desenvolvido neste trabalho possui um peso máximo de 10Kg, é capaz
de navegar em uma piscina convencional com profundidade máxima de 1,5m. A
temperatura da água deverá estar entre 5ºC e 40ºC. A submersão deverá ser
controlada pelo operador, ficando sob a responsabilidade do operador, e não do
equipamento, estabilizar o ROV na profundidade desejada. Seu tempo máximo de
navegação será de pelo menos 10 minutos e poderá se afastar da base por até 10
metros. O ROV não irá possuir atuadores para aquisição de materiais (garras, pinças,
etc.) e, a princípio, não irá possuir câmera nem sistema de iluminação, ficando a
navegação a cargo da visualização do ROV pelo operador, através das águas
límpidas. O ROV também não possui inteligência artificial para navegação autônoma
e não irá fazer mapeamento do ambiente subaquático.
14
1.3
PROBLEMA
O cenário de apresentação e de testes do projeto serão basicamente feitos em
piscinas, sendo o ambiente mais eficaz para um ROV de fins acadêmicos e sob
condições limitadas.
Sendo assim, a pergunta que se pretende responder neste projeto é: Qual a
aplicação do veículo operado remotamente (ROV) para fins acadêmicos? Tendo como
premissa norteadora de que inúmeras aplicações podem ser embutidas no ROV, mas
relevando a questão orçamentária e restrições de uma piscina, as aplicações devem
ser restritas a sensores térmicos, sensores luminosos, sensores de pressão, e no
máximo garras mecânicas e/ou alocação de câmeras.
1.4
OBJETIVOS
Nesta seção são apresentados os objetivos geral e específicos do trabalho,
relativos ao problema anteriormente apresentado.
1.4.1 Objetivo Geral
Este projeto tem como objetivo geral desenvolver um ROV (“Remote Operated
Underwater Vehicle” – Veículo submergível operado remotamente) para fins
acadêmicos, de baixo custo e sob condições limitadas.
1.4.2 Objetivos Específicos
•
Desenvolver o sistema de locomoção para garantir flutuabilidade na
água (motores e drivers);
•
Desenvolver o sistema de comunicação que é dividido em duas partes:
comunicação sem fio (modulo de comunicação) e cordão umbilical (boia
e cabeamento ligado ao ROV);
•
Desenvolver a parte estrutural do ROV de modo que garanta
impermeabilização da eletrônica do sistema e também que garanta a
imersão, a flutuabilidade e o retorno a superfície de modo eficaz;
15
•
Desenvolver o sistema de energização autônoma do ROV garantindo a
autonomia de uso e a distância máxima de comunicação eficiente entre
ROV e Estação Base;
1.5
JUSTIFICATIVA
ROVs profissionais utilizados em trabalhos de manutenção e pesquisa a até
11.000 metros de profundidade são extremamente caros. Mesmo os feitos para
operações até 100 metros de profundidade podem ser proibitivamente caros. Por
outro lado, comunidades de hobbistas e DIY (“Do It Yourself”) buscam desenvolver
veículos para pequenas missões com um custo mais acessível. Apesar de serem
pequenos, baratos e não atingirem grandes profundidades, ainda podem
desempenhar diversas funções relevantes.
Espera-se que o desenvolvimento deste trabalho possa contribuir com a
pesquisa acadêmica despertando o interesse na área de desenvolvimento de
sistemas submergíveis não tripulados. Tais sistemas permitem explorar trabalhos que
envolvam controles de posicionamento e monitoramentos por meio de sensores
específicos, podendo ser uma fonte significativa para o desenvolvimento de trabalhos
de pesquisa. Esse tipo de iniciativa pode dar origem a criação e expansão de
comunidades brasileiras de exploração e observação subaquática e também a
formação de projetos escolares, expandindo as atividades que professores de ensino
fundamental, médio e superior podem desenvolver dentro e fora da sala de aula.
1.6
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Quanto a natureza no que se refere a pesquisa científica, esse projeto se
enquadra como uma pesquisa aplicada, a aplicação prática de conhecimentos
teóricos já existentes. Como existe a necessidade de um levantamento bibliográfico
para aplicar a solução adequada a cada objetivo, classifica-se como exploratórios. Os
procedimentos técnicos são constituídos de pesquisa bibliográfica juntamente com
experimental.
As etapas para concluir e atingir os objetivos propostos são, primeiramente, um
levantamento das soluções utilizadas em outros trabalhos para construir o ROV.
16
Questões como quais são os procedimentos e equipamentos utilizados por outros
projetos similares, quais são os métodos usados para fazer a emersão e submersão,
ou também, como fazer para controlar os motores adequadamente pretendem ser
respondidas com este trabalho.
Após uma análise das possíveis implementações dos submarinos, o próximo
passo é fazer a escolha de quais soluções para os objetivos são as mais apropriadas
para o projeto, levando em consideração nessa escolha fatores como o custo de cada
equipamento, a disponibilidade de preferência em território nacional e se possível
ainda dentro do município, o desempenho do componente na tarefa que realizará e
se terá impacto em outras funções como, por exemplo, se o peso do componente
dificultaria de forma considerável a movimentação subaquática.
Com a escolha e aquisição dos componentes, a próxima etapa é a montagem
do ROV. Cada parte do projeto deve ser montada e testada individualmente: a
estrutura, os motores, a comunicação, etc. Deverão estar em funcionamento para que
todas as partes possam então ser acopladas formando o sistema final.
1.7
EMBASAMENTO TEÓRICO
O bom desenvolvimento do projeto depende de um estudo bibliográfico conciso
e objetivo. Deste modo a seguir são apresentados resumos de trabalhos relacionados
à área do projeto.
Como base para este trabalho é utilizado um livro especializado na construção
de ROVs (Christ & Wernli, 2014). Para aprofundar nos detalhes de cada área
envolvida no projeto, são utilizados trabalhos mais específicos. Fundamentos teóricos
da hidrodinâmica os livros (Filho, 2006), (Munson, 2004) e (Brunetti, 2004). (O'Brien,
2012), (Reis & Ramos, 2010), (Robbins) e (Levin), para a definição da estrutura,
motores, hélices e limitações e também (Wisman, 2012), (Thone S. , 2009) e
(Bernardini, 2014) na parte da comunicação. Para a construção de ROVs, (College,
2014), (Thone S. , 2012), (OpenROV, 2014).
17
1.8
ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho seguirá a estrutura abaixo apresentada:
Capítulo 1 - Introdução: São apresentados o tema, as delimitações da
pesquisa, o problema e a premissa, os objetivos da pesquisa, a justificativa, os
procedimentos metodológicos, as indicações para o embasamento teórico e a
estrutura geral do trabalho.
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica: Neste capítulo será apresentado todo
material teórico necessário para desenvolver o projeto, incluindo projeto da estrutura
física, estudos da hidrodinâmica, estudos sobre vedações, comunicação serial e por
rádio frequência, controle dos motores e sistema de energização do ROV. O estudo
apresentado será focado na construção de um ROV de baixo-custo.
Capítulo 3 – Desenvolvimento: Neste capítulo será abordado a execução do
projeto, detalhando cada passo para a construção e funcionamento do ROV. Este
capítulo terá várias sub divisões referentes a cada parte do projeto, como boia, tether,
cápsula, estrutura, escolha dos motores, escolha das hélices e todo o sistema de
comunicação.
Capítulo 4 – Testes de campo: Durante o desenvolvimento do projeto serão
realizados diversos testes que possibilitam a avaliação de desempenho do projeto.
Este capítulo é destinado a mostrar estes testes, que envolvem o tether, os motores,
a bateria, o sistema de comunicação, a flutuabilidade e navegabilidade do ROV.
Capítulo 5 – Conclusão: Aqui é onde é feita a crítica do resultado, apontando
possíveis melhorias e defeitos do projeto. Os dados apresentados nestes capítulos
serão coletados nos testes previamente realizados. Neste capítulo também serão
apresentadas as dificuldades bem como os possíveis trabalhos futuros.
18
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Para começar a análise acerca do sistema de flutuabilidade de um ROV foi
necessário compreender os fundamentos teóricos de cada uma das partes envolvidas
no projeto. Bem como as características, os requisitos, a lógica de programação dos
controladores, a manutenção dos equipamentos, os tipos de sensores, os
controladores de velocidade dos motores, o material e formato da estrutura e também
todo o sistema de vedação dos componentes. Assuntos que serão tratados no
decorrer deste capítulo.
2.1
ESTRUTURA
Existem diversas maneiras de montar a estrutura de um ROV, basta adequar
cada uma de acordo com a funcionalidade, custo e desempenho. Há três tipos de
estruturas que compõe o ROV por completo, no qual devem pensadas e modeladas:
ROV (que estará submerso), cápsula impermeável (onde ficarão todos componentes
eletrônicos) e a boia de comunicação. A seguir descrevemos cada uma delas.
2.1.1 ROV
Dentre os materiais utilizados em ROVs a fins de pesquisa e/ou comércio, estão
fibra de carbono, alumínio, titânio ou cerâmicas, devido a pressão e temperatura que
estes serão submetidos. Já em projetos acadêmicos, são utilizados PVC, Plástico e/ou
Acrílico, por serem materiais leves, baratos, resistentes para a pressão e temperatura
que serão submetidos, e de fácil manuseio. PVC por exemplo, possui conexões
através de “cotovelos” que permitem maior conforto aos motores e ampla variedade
de tipos de estruturas.
Em questão do formato, ROVs podem ser: triangulares, retangulares, trapézios,
quadrados ou cilíndricos, basta optar pelo tipo de estrutura de acordo com o
desempenho e funcionalidade que será necessário. Devem ser considerados:
- Estabilidade do ROV quando submerso
- Alocação de materiais mais pesados
19
- Movimentação na direção que mais será utilizado, obtendo vantagens a partir
da área lateral que exercerá maior atrito.
2.1.2 Cápsula
De maneira análoga ao ROV, Cápsulas também são escolhidas pensando no
formato e no material, a fim de atender as necessidades que o ROV irá possuir,
limitando-se apenas quanto a vedação dos componentes.
ROVs de pesquisa e comércio, possuem cápsulas de chumbo, ferro, alumínio
e/ou cerâmica, no qual podem ser soldados para total vedação dos componentes. Já
em projetos acadêmicos, são utilizados PVC ou Plástico, pois podem facilmente
serem vedados com colas de silicone ou resina.
O formato da cápsula deve ser escolhido de acordo com os componentes que
ela irá possuir, pensando no melhor conforto aos componentes sem que seja
comprometida a estrutura do ROV. Em geral, cápsulas são em formato cilíndrico,
quadrático ou retangular.
A cápsula também pode ser projetada de maneira a estabilizar o ROV quando
submerso.
2.1.3 Boia de comunicação
Boias de comunicação são utilizadas apenas em projetos acadêmicos, através
do qual será feito a comunicação sem fio. Em ROVs de pesquisa e/ou comércio, o
controle do ROV é feito do próprio barco, da própria base, via tether.
Comparando a estrutura do ROV submerso, a boia possui uma estrutura
visivelmente menor, mas cuidados com a vedação dos componentes e fios, e também
estabilidade na superfície aquática devem ser o mesmo.
Opta-se por materiais de alta flutuabilidade, como isopor ou plástico, em
formatos retangulares, de maneira que o centro de massa fique na parte inferior da
pequena estrutura, a fim de reforçar sua estabilização na superfície, pois uma vez
tombado (em caso de formato quadrático) e/ou girado (em caso de formato cilíndrico),
pode comprometer a comunicação e/ou danificar os componentes.
20
2.2
HIDRODINÂMICA
Para iniciarmos o entendimento da movimentação de um ROV precisamos
entender muito bem o princípio de Arquimedes, e as conclusões que podemos tirar
dele, que pode ser enunciado como:
Todo corpo mergulhado num fluido em repouso sofre, por parte do fluido, uma
força vertical para cima, cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo
corpo (Sobre os Corpos Flutuantes, Tradução Comentada, 1996)
Figura 2 – Princípio de Arquimedes
Fonte: autoria própria
Como ilustrado pela Figura 2, podemos ver que, na vertical, temos duas
forças agindo sobre o corpo:
•
Força do empuxo, na vertical para cima, que é proporcional ao volume
de líquido deslocado pelo corpo e, portanto, ao volume do corpo;
•
Força peso, na vertical para baixo, que é proporcional à massa do corpo.
Dessa forma, podemos alterar o corpo a fim de alterar sua massa ou volume
(alterando sua densidade, portanto) com o intuito de alterar a magnitude dessas
forças, podendo atingir três situações distintas (em módulo):
•
Peso > Empuxo: nesse caso a força resultante irá apontar na vertical
para baixo, fazendo com que o corpo afunde;
21
•
Peso < Empuxo: nesse caso a força resultante irá apontar na vertical
para cima, fazendo com que o corpo flutue;
•
Peso = Empuxo: nesse caso a força resultante na vertical será nula, e
todo corpo em repouso permanece em seu estado exceto se submetido a uma força
externa (Newton, 1726). Dessa forma, como as forças de empuxo e peso independem
da profundidade, o corpo irá permanecer em repouso independente da profundidade
em que ele esteja (desde que sua estrutura seja mantida íntegra).
Para que um ROV possa submergir e emergir precisamos ter uma força
resultante que aponte, na vertical, para baixo ou para cima, respectivamente.
Podemos obter isso de duas formas: através de propulsores que geram uma força
externa ao ROV; através de um ROV com densidade variável (tanques de lastro), pois
alterando a densidade alteramos a relação de forças peso e empuxo (Christ & Wernli,
2014). Mais adiante exploraremos cada forma em mais detalhes.
2.3
SISTEMA DE VEDAÇÃO
Vedar os componentes eletrônicos que serão submersos pode não ser tão
simples, apesar da baixa probabilidade de ocorrência, essa tarefa pode ser a mais
impactante em caso de erros.
Em ROVs maiores, utilizados comercialmente, devem ser feitos cálculos
precisos, em função da profundidade que será submerso, levando em consideração a
pressão e temperatura sobre o ROV. Já em projetos acadêmicos, no qual são
submersos em torno de 1 a 3 metros, a pressão exercida sobre o ROV não é um fator
relevante para ocorrência de estouro da vedação. (Christ & Wernli, 2014)
Para tal proteção dos componentes, deve ser certificado da total vedação
(100%) dos orifícios das estruturas, a seguir, exemplos de tipos de vedação mais
eficazes:
- Anéis e/ou fitas de borracha, fortemente amarradas entre a tampa e o
corpo do objeto a ser vedado.
- Cola de Silicone e/ou Cola de Resina, aplicada em torno de fios
condutores e orifícios do objeto a ser vedado.
- Placas de acrílico pressionadas com barras fortemente rosqueadas,
exercendo pressão entre as placas.
22
- Para materiais de ferro, é utilizado solda nos orifícios e aberturas.
2.4
SISTEMA DE COMUNICAÇÃO
2.4.1 Serial
Comunicação serial é o processo de enviar informação por um meio único, um
bit de cada vez. Ela é utilizada em situações onde o espaço ocupado pelo cabo é
crítico, ou em ambientes com muito ruído. Costumam ter um custo menor para
implementação e são amplamente disponíveis em microcontroladores.
O cabo UTP (Unshielded Twisted Pair - Par trançado sem isolamento)
Categoria 5 é composto por 4 pares de fios trançados (de modo a rejeitar uma parte
do ruído externo), utilizado principalmente para transmissão de dados. É um cabo
barato e de fácil aquisição, já que é utilizado em diversas redes ethernet. (TEC
Datawire, s.d)
2.4.2 Rádio Frequência
Uma das soluções mais utilizadas para comunicação sem fio é a Rádio
Frequência, que consiste em ondas eletromagnéticas senoidais na faixa de alta
frequência entre 3kHz e 300GHz. (Instruments, National, s.d.)
A comunicação com rádio frequência é altamente utilizada em diversas
aplicações em comunicação desde o rádio em si até radares e celulares. As vantagens
de trabalhar com alta frequência é a maior quantidade de dados a ser transmitida,
menor quantidade de ruídos externos no sinal e longas distâncias de comunicação.
(Instruments, National, s.d.). O tamanho da antena também é uma vantagem a ser
mencionada, já que este é proporcional ao comprimento da onda (Electronics, Pulse;
Antennas, Larsen) e segundo a equação (Cassidy, Holton, & Rutherford, 2002)
𝑣 = 𝜆∗𝑓
O comprimento de onda é inversamente proporcional a frequência,
necessitando assim de tamanhos menores de antena para frequências mais elevadas.
23
Isto torna possível a comunicação sem fio em aparelhos cada vez menores.
(Electronics, Pulse; Antennas, Larsen).
A comunicação em rádio frequência é feita através de um transmissor e um
receptor. Os dados são enviados do transmissor para o receptor utilizando a técnica
de modulação da onda, que pode ser a modulação da amplitude, frequência ou fase.
(Instruments, National, s.d.). Essa modulação é um padrão utilizado para interpretar
os dados. Na imagem abaixo (Figura 3) é possível observar a modulação da amplitude
para a transmissão dos dados:
Figura 3 – Modulação da amplitude de onda senoidal
Fonte: <http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/communications/1-how-isdata-put-on-radio-waves.html> Acesso em 16 de maio de 2014
Neste caso, é determinado um valor (ou faixa de valores) de amplitude como
nível baixo e outro valor para nível alto. Um conjunto de valores de nível baixo e alto,
juntos, formam a string de dados. Na modulação da frequência, o nível baixo e alto é
definido pela frequência de uma onda, como pode ser observado na imagem abaixo
(Figura 4) (Group, Qualitative Reasoning, s.d.).
Figura 4 – Modulação da frequência em onda senoidal
24
Fonte: <http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/communications/1-how-isdata-put-on-radio-waves.html> Acesso em 16 de maio de 2014
A modulação de fase altera o ângulo da onda para determinar o nível baixo e
nível alto. Na imagem abaixo (Figura 5) é possível verificar essa técnica (Labs,
Sakshat Virtual, s.d.).
Figura 5 – Modulação de fase de onda senoidal
Fonte: < http://iitg.vlab.co.in/?sub=59&brch=163&sim=611&cnt=1085> Acesso em 16 de
maio de 2014
Para realizar essa comunicação existem módulos de circuito comerciais que
realizam os três tipos de modulação, interpretam os dados e exibem na saída os dados
em tempo real. Estes módulos são facilmente acoplados a um microcontrolador ou
podem ser utilizados independentemente. (Anaren, s.d.).
2.5
SISTEMA DE ENERGIZAÇÃO
No desenvolvimento de um ROV o sistema de energização está entre as
últimas partes a serem dimensionadas, pois ele depende da especificação dos
requisitos do ROV, sendo peso, velocidade, sensores, atuadores e tempo de
navegação os fatores que mais influenciam. Ao pensar nesse sistema há dois pontos
principais que devem ser levados em conta: uso de corrente alternada (AC) ou
contínua (DC); fonte de energia onboard (dentro do ROV) ou offboard (conectada via
tether) (Christ & Wernli, 2014).
Usa-se DC para energização de circuitos eletrônicos, sensores e de atuadores
de pequeno porte (pequenos propulsores, por exemplo), enquanto o uso de AC
justifica-se para grandes atuadores que necessitam de muita energia, por exemplo os
atuadores de sistemas hidráulicos de ROVs de grande porte. Neste caso, usa-se uma
fonte de energia offboard, como um gerador, para manter, via tether, a alta
disponibilidade de energia para o ROV. Apesar de a solução offboard suprir uma alta
demanda, há alguns pontos negativos que devem ser considerados. A transferência
25
de energia pode causar interferência nas comunicações via cabo que também
transitam no tether, além de que a queda de tensão sobre o tether aumenta com seu
comprimento, sendo bastante significativa para tethers acima de 100 metros de
comprimento (Christ & Wernli, 2014).
Para ROVs de menor porte, como os exploradores, soluções onboard se
tornam viáveis já que a demanda energética não é tão grande. Como a bateria fica
localizada dentro do ROV, os cabos de conexão de energia são curtos, tornando a
queda de tensão irrelevante na maioria dos casos (desde que sejam usados cabos
com a espessura adequada). Na solução onboard o ponto crítico se torna o
dimensionamento da bateria a fim de suprir a corrente de regime necessária mantendo
uma autonomia adequada para os fins desejados. Há três especificações de grande
importância na bateria:
•
Tensão: precisa ser adequada ao funcionamento dos equipamentos
eletrônicos. Se necessário, reguladores de tensão são utilizados para alimentar
eletrônicos que exigem menor tensão;
•
Capacidade: geralmente informada em mAh (miliampère-hora) ou Ah
(ampère-hora), representa a quantidade de carga elétrica que a bateria pode fornecer
em uma hora. Uma bateria de 10Ah, por exemplo, pode fornecer 10 ampères durante
uma hora, ou 5 ampères durante duas horas. Esse valor está diretamente relacionado
com a autonomia do ROV, pois se o ROV necessitar de 5 ampères e tivermos
disponível uma bateria de 10Ah, a autonomia será de duas horas, mas se a
necessidade dobrar para 10 ampères a autonomia cai pela metade, ficando em
apenas uma hora.
•
Taxa de descarga: informa a corrente máxima que, em regime, pode ser
drenada da bateria. Pode ser representado em porcentagem ou em “C”: uma bateria
5Ah com taxa de descarga de 50% só pode fornecer constantemente 2,5 ampères, já
uma bateria 5Ah de “10C” pode fornecer constantemente 50 ampères, ou seja, possui
uma alta disponibilidade de energia mas às custas da autonomia.
As baterias mais utilizadas são as chumbo-ácida e as de polímero de lítio.
Enquanto aquelas são grandes, pesadas e possuem baixa taxa de descarga (de 50 a
70%), porém baratas e de grande capacidade, estas são pequenas, leves e possuem
uma alta taxa de descarga (mais de 100C), porém são caras e delicadas, podendo ser
facilmente danificadas com carga ou descarga em excesso.
26
2.6
MOTORES
Motores elétricos são dispositivos capazes de transformar energia elétrica em
mecânica (Oliveira, Motores Elétricos CA, s.d.). Estes dispositivos possuem duas
peças principais:
1) Estator: Conjunto de elementos fixados à carcaça da máquina.
2) Rotor: Conjunto de elementos fixados no eixo da máquina.
Existem duas categorias nas quais os motores elétricos costumam se dividir.
Alguns motores são alimentados com corrente elétrica contínua, enquanto outros
utilizam corrente alternada. Motores podem variar em tamanho, custo de produção,
de manutenção, torque, velocidade de rotação, entre outros. (Oliveira, Motores
Elétricos CC)
De modo geral, os motores de corrente contínua utilizam o próprio movimento
para alterar a interação entre o campo magnético do rotor e do estator. Os motores
de corrente alternada alteram estes campos magnéticos graças à própria alteração na
corrente de alimentação.
2.7
MOVIMENTAÇÃO
Veículos subaquáticos possuem mobilidade em todo o espaço tridimensional.
Para a movimentação vertical no eixo Z são utilizados os métodos de controle de
flutuação, enquanto para a movimentação horizontal no plano XY são usados motores
e/ou bombas para a propulsão.
2.7.1 Movimentação Vertical:
Os métodos da movimentação vertical podem ser divididos em mergulho
dinâmico e estático, abaixo temos um resumo dos principais métodos utilizados.
27
2.7.1.1 Mergulho Dinâmico:
Nestes se faz o veículo afundar devido à uma força dinâmica e não devido à
mudança da densidade do ROV.
2.7.1.2 Flaps:
Este método é semelhante a um avião. O ROV precisa estar em um movimento
e com o auxílio de “flaps” é possível fazer a água exercer uma força no ROV para que
este mergulhe. Caso a velocidade do ROV diminua muito ou ele pare, a força se torna
pequena ou nula e o submarino volta a superfície.
2.7.1.3 Propulsores:
Se o ROV possuir uma densidade próxima com o ambiente em que esta
submerso, é possível utilizar propulsores para mergulhar ou voltar a superfície a fim
de controlar o empuxo necessário.
2.7.2 Mergulho Estático:
Os métodos estáticos são métodos que causam uma alteração na
densidade do ROV.
2.7.2.1 Gás Comprimido
É possível ter um reservatório de água e ar anexo ao ROV que deixa a agua
entrar para aumentar a densidade do ROV e fazer com que ele mergulhe ou expelir a
agua pra fora do reservatório, utilizando uma bomba de ar comprimido, expandindo o
gás e fazendo o ROV ascender.
2.7.2.2 Pistões
Utilizando um motor e um pistão é possível ter um reservatório anexo ao ROV
onde o pistão comprime o ar e deixa água entrar para aumentar a densidade do ROV
e mergulhar e fazer o movimento contrário para expelir a agua e fazer o ROV
ascender.
2.7.2.3 Bomba D’agua
Uma bomba d’agua pode ser utilizada para bombear agua para dentro de um
reservatório com ar (comprimindo o ar) e aumentando a densidade do reservatório.
Esta bomba não deixa com que a agua saia, mesmo com o ar comprimido exercendo
pressão. Uma válvula ou outra bomba pode ser utilizada para liberar a entrada/saída
28
da água e fazer com que a pressão do ar expanda e retire a água do reservatório,
diminuindo a densidade do ROV e fazendo com que ele ascenda.
2.7.3 Movimentação horizontal
Para os ROVs maiores são usados sistemas eletro-hidráulicos, isto se deve ao
fator peso destes não serem um problema em veículos de grande porte. Em ROVs de
menor dimensão, os sistemas utilizados para a movimentação são puramente
elétricos (Remote Operated Vehicle Committee of the Marine Technology Society)
Dentre esses podemos citar como exemplos:

Motores de corrente alternada, em funcionamento contínuo;

Motores de corrente alternada com frequência variável (estilo soft-starter);

Motores universais (DC e AC simultaneamente)

Motores Brushless

Motores DC de ímã permanente

Motores de Passo
Um mínimo de dois propulsores é utilizado, geralmente cada um conectado em
um motor controlado individualmente. O formato deles influencia no impulso fornecido,
embora exista apenas evidência empírica favorecendo um ou outro modelo de
propulsor.
Vários projetos utilizam hélices como propulsores. Tais hélices podem ser
construídas de modo que o seu modo forward seja no sentido horário ou anti-horário,
sendo que o outro seria o modo reverse (Mercury Marine). Quando o hélice1 é ligado
no modo reverse há uma perda na força de propulsão quando comparado ao forward,
isso se deve ao fato da inclinação existente das suas pás, como mostra figura abaixo
(Figura 6).
1
Em engenharia naval, o termo “hélices” de um propulsor é tratado no
masculino, visto representar o sistema de empuxo de uma embarcação (JUNIOR,
2014)
29
Figura 6 - Movimentação da Hélice
Fonte: http://hidroviasinteriores.blogspot.com.br/2012/04/helices-os-conceitos-basicosparte-1.html <acesso em 16/05/2014>
30
3 DESENVOLVIMENTO
Neste capítulo serão descritos os processos utilizados para o desenvolvimento
do trabalho. Para possibilitar o trabalho simultâneo no ROV, o trabalho foi dividido em
seis grandes blocos (boia, tether, estrutura, cápsula, comunicação e controle, que
inclui a calibração e a lógica de controle dos motores), cada um responsável por uma
ou mais funções que, quando agrupados, formam o dispositivo final de acordo com as
especificações.
3.1
BOIA
A boia tem como função manter o microcontrolador que repassa os dados entre
a estação base e o ROV na superfície, pois isso facilita o funcionamento da
comunicação sem fio. Esse elemento do projeto ao qual esta seção se refere consiste
basicamente num sistema hermeticamente fechado e dentro dele temos apenas um
microcontrolador (Stellaris), com o módulo RF acoplado, preso por meio de duas
barras de pinos coladas à estrutura da boia (Figura 7).
Figura 7 - Foto do microcontrolador acoplado
Fonte: Autoria própria
O tether é ligado a este microcontrolador e passa através do fundo da boia
(Figura 8), propriamente vedado, para ir até a cápsula. Sendo o sistema
hermeticamente fechado garantimos uma maior proteção aos componentes
eletrônicos, que estão protegidos de eventuais respingos de água e de incidentes,
31
como por exemplo, caso a boia vire por fatores como a inflexibilidade do tether, que
poderia forçar a boia no movimento ascendente do submarino.
Figura 8 - Foto do cabo
Fonte: autoria própria
3.2
TETHER
O microcontrolador que está na boia repassa os dados referente ao
acionamento dos motores, que recebe da estação base, ao ROV por meio de
comunicação serial. Essa comunicação é feita pelo tether, sendo que o cabo utilizado
no projeto para fazer essa comunicação serial é o ethernet cat 5, mostrado na Figura
9.
32
Figura 9 - Foto do cabo
Fonte: autoria própria
O peso do tether pode ser um problema para a navegabilidade do ROV, visto
que pode fazer com que todo o sistema afunde. Para anular possíveis complicações
devido ao peso do cabo foram utilizadas cinco bolas de isopor de 25 mm de diâmetro
distribuídas ao longo dos dois metros de cabo, valor esse definido empiricamente.
Além de garantir que o cabo não tenha uma flutuabilidade fortemente negativa,
também é preciso garantir que a passagem deste para dentro da boia e da cápsula
seja vedada adequadamente, de modo que não ocorram infiltrações que
comprometam os equipamentos eletrônicos. Para atingir esse objetivo, a passagem
do tether para dentro da boia e da cápsula é feita por cada fio do cabo individualmente
e vedada com cola adequada.
3.3
ESTRUTURA
Na montagem da estrutura física do ROV, devem ser considerados os
princípios de estabilidade quando submerso, material a ser utilizado, flutuabilidade,
navegabilidade, peso e acomodação dos componentes que a estrutura virá a suportar.
Considerando os princípios físicos, a estrutura deve ser em formato trapézio,
na qual a menor face é localizada na parte inferior e a maior face na parte superior do
33
ROV. A alocação da cápsula e dos motores são propositalmente localizadas na parte
inferior do ROV, a fim de sua estabilidade e navegabilidade quando submerso.
Como visto na seção 2.2, os estudos quanto às forças peso e empuxo devem
ser respeitadas, logo são alocados pesos de ferro e pedaços de espuma ao ROV, a
fim de se manter na mesma, ou levemente positiva em relação a densidade da água,
ou seja, devem ser alocados pesos e flutuadores até que a estabilidade no nível da
água seja atingido, isto é, a força peso é igual a força do empuxo (Figura 10).
Figura 10 - Estrutura do ROV com pesos e flutuadores a fim de aproximar-se da
densidade da água
Fonte: Autoria própria
Dando continuidade à navegabilidade do ROV, os motores devem ser
escolhidos a partir da carga que eles terão que deslocar, devem então ser
considerados o peso total do ROV e a relevância do ambiente em que o ROV irá
funcionar, sabe-se que a força exigida nos motores funcionando na água é maior que
a força exigida no ar. Para este projeto, bombas de propulsão são suficientes para
deslocar o ROV em velocidade consideravelmente alta dentro d’água, e o mais
importante, a impermeabilidade destas bombas propulsoras faz com que a vedação
nesta parte do ROV seja desconsiderada.
A escolha das hélices é um fator determinante para a velocidade de navegação
do ROV quando submerso, uma vez que já foi escolhido os motores corretamente, os
34
diferentes modelos, tipos e materiais das hélices devem ser analisados. Neste projeto,
foi utilizado o modelo ROB1471-72, adquirida nos Estados Unidos, este modelo possui
3 pás, com diâmetro de 50mm, e a força no modo reverse é de aproximadamente 77%
da força no modo para frente (Figura 11). Isto significa que esta hélice possui
aproximadamente o mesmo diâmetro do motor e uma excelente força no modo
reverse, sendo necessário apenas um pequeno adaptador para encaixá-la ao motor,
este foi impresso em 3D, no material de alumínio.
Figura 11 – Tabela de algumas hélices e suas especificações
Fonte: <http://www.submarineboat.com/rov_thrurters.htm>
3.4
CÁPSULA
Sabendo o consumo de energia aproximado do ROV e a autonomia desejada,
foi escolhida uma bateria chumbo-ácido selada de 12 Ah da marca Unipower. Apesar
de grande e pesada, o impacto no projeto é pequeno, já que o peso pode ser
compensado com flutuadores e podemos usar uma cápsula maior para acomodá-la.
35
O impacto no orçamento, porém, é grande, já que outros tipos de bateria (íons de lítio,
polímero de lítio, etc) são bastante delicados e possuem um custo elevado. Para
acomodar a bateria e demais eletrônicos dentro da cápsula foi utilizado um cano de
PVC de 150mm de diâmetro. Uma estrutura interna ao cano também foi pensada para
a fixação de todos os componentes. O projeto da cápsula está ilustrado nas figuras
abaixo (Figura 12 e Figura 13).
Figura 12 - Projeto da cápsula evidenciando o microcontrolador (em vermelho), os
reguladores de tensão (em verde), a bateria (em preto) e a estrutura interna (em branco)
Fonte: autoria própria
.
Figura 13 - Projeto da cápsula evidenciando os controladores dos motores (em
amarelo) e a estrutura interna (em branco).
Fonte: autoria própria
Somando a largura das placas eletrônicas (10cm cada, nos dois lados) e o
comprimento da bateria (15cm), foi necessário um cano PVC de 150mm de diâmetro
e 40cm de comprimento para a cápsula. Para fazer a estrutura interna utilizou-se uma
36
chapa de alumínio de 10cm de largura e 150cm de comprimento, mostrada na Figura
14. Foi cortado um pedaço suficiente para envolver a base e laterais da bateria,
formando um invólucro, mostrado na Figura 15. Outros quatro pedaços da chapa
foram cortados com 15cm de comprimento (Figura 16) para serem fixados nas laterais,
servindo de suporte para as placas eletrônicas (Figura 17). Como mostrado na Figura
18, uma barra rosqueada foi fixada com porcas em cada ponta para evitar a
aproximação das placas laterais (e também servir de suporte para manuseio), e um
parafuso foi colocado em cada lado da bateria evitando que ela se desloque. A
estrutura interna da cápsula é mostrada na Figura 19 e seu encaixa na cápsula é
mostrado na Figura 20.
Figura 14 - Chapa de alumínio 10x150cm
Fonte: autoria própria.
Figura 15 - Invólucro da bateria.
Fonte: autoria própria.
37
Figura 16 - Placas laterais de suporte.
Fonte: autoria própria.
Figura 17 - As placas foram soldadas no suporte da bateria
Fonte: autoria própria.
38
Figura 18 - Barra rosqueada dando suporte às placas laterais e, no detalhe, o parafuso
que trava a bateria
Fonte: autoria própria.
Figura 19 - Aparência final da estrutura
Fonte: autoria própria.
39
Figura 20 - Estrutura encaixada perfeitamente no cano PVC.
Fonte: autoria própria.
O próximo passo da estrutura interna foi montar as placas com os circuitos
eletrônicos. Em todas foi usado como base uma placa perfurada universal de
dimensões 10x10cm. No total, foram feitas quatro placas:



Uma placa para abrigar o microcontrolador e possíveis sensores;
Uma placa para abrigar reguladores de tensão;
Duas placas para abrigar o controle de velocidade e direção dos motores.
A primeira placa consiste apenas em um suporte ao microcontrolador, onde foi
soldado barras de pinos macho, que fornece uma maneira rápida e segura de fixação.
Conectores de energia também foram soldados na placa afim de fornecer uma
maneira rápida e segura de fixação de cabos.
A segunda placa possui reguladores de tensão com saídas +5V (para o
microcontrolador e possíveis sensores), +8V e +9V (para uso futuro em uma câmera)
e +24V para o controle da parte superior da ponte-h das placas de controle dos
motores. O diagrama esquemático está evidenciado na Figura 21 e o diagrama de
montagem na placa é mostrado na Figura 22.
40
Figura 21 - Circuito utilizado na placa de reguladores de tensão.
Fonte: autoria própria.
Figura 22 - Esquema de montagem dos componentes na placa.
Fonte: autoria própria.
As últimas duas placas são idênticas, onde cada uma delas abriga duas pontesh. O diagrama esquemático está mostrado na Figura 23 e o esquema de montagem
na placa é mostrado na Figura 24. O controle de velocidade dos motores será feito
usando PWM (pulse width modulation - que consiste em enviar aos motores uma onda
com frequência em torno de 1kHz porém com duty-cicle variável) e o controle do
sentido de rotação será feito utilizando ponte-h. Uma ponte H consiste de quatro
chaves dispostas de tal forma que possibilite a inversão do sentido da corrente para
motor, apenas ligando ou desligando as chaves de cada diagonal. Como os
transístores responsáveis pelo chaveamento de corrente dos motores estarão
suportando uma carga considerável, dissipadores (Figura 26) foram fixados a eles
41
para evitar que esquentem demais e queimem. Os componentes montados na placa
são mostrados na Figura 25.
Figura 23 - Circuito utilizado na placa de controle de velocidade e direção dos motores.
Fonte: autoria própria.
42
Figura 24 - Esquema de montagem dos componentes na placa.
Fonte: autoria própria.
Figura 25 - Placa montada, ainda sem os dissipadores de calor.
Fonte: autoria própria.
43
Figura 26 - Dissipador para evitar o superaquecimento do FET.
Fonte: autoria própria.
Como pode ser visto na Figura 27, foram colocados parafusos de rosca M4
presos com porcas em todas as placas para servir de fixação das placas na estrutura
de alumínio da cápsula. As placas fixadas na estrutura podem ser vistas na Figura 28.
Figura 27 - Parafusos usados como suporte das placas.
Fonte: autoria própria.
44
Figura 28 - Placas fixadas na estrutura da cápsula.
Fonte: autoria própria.
Finalmente, para a vedação da cápsula, foram utilizadas tampas (“cap”)
próprias para o PVC de 150mm, onde no fundo de cada tampa foi colocado um anel
de borracha flexível (Figura 29). Na lateral da cápsula foram fixados fechos de pressão
que, ao serem engatados nas tampas e pressionados, forçam o anel de borracha
contra a borda do cano, fornecendo uma vedação eficiente e prática. Para evitar que
imperfeições na borda do cano pudessem causar vazamentos, o cano foi levado para
ser cortado perfeitamente reto em uma tornearia.
45
Figura 29 - Vista interna da cápsula, estando o lado oposto vedado com a tampa
adaptada.
Fonte: autoria própria.
3.5
COMUNICAÇÃO
Criar um canal de comunicação sem fio direta com um objeto submerso não é
algo trivial já que, devido as propriedades do meio, a frequência de propagação das
ondas é drasticamente abaixo da Rádio Frequência, ficando na casa dos kHz (Cui,
Kong , Gerla, & Zhou, 2006).
Uma solução encontrada para driblar este problema foi criando um dispositivo
(boia) móvel que tenha contato com a superfície e esteja conectado com a cápsula e
seja capaz de transferir dados para o mesmo. A estação base consegue então se
comunicar com este dispositivo via Rádio Frequência, e os dados são então
transmitidos para a cápsula por comunicação Serial utilizando um Tether. O diagrama
da estrutura final da comunicação pode ser visto na Figura 30.
46
Figura 30 – Diagrama de comunicação entre Estação Base e Cápsula
Fonte: Autoria própria
3.5.1 Protocolo de Comunicação
Um protocolo de comunicação foi desenvolvido e implementado para
padronizar a comunicação e aumentar a eficiência e robustez do dispositivo. Como
não é necessário ter uma comunicação segura, foi optado um sistema simples e
robusto.
Cada pacote a ser enviado para a cápsula consiste em um vetor de 10 bytes,
divididos conforme a tabela abaixo, cada campo da tabela representa um byte
(u_int8):
[0]
[1]
[2]
[3]
[4]
[5] ... [8]
[9]
Header
Motor 1
Motor 2
Motor 3
Motor 4
Reservado
Checksum
Tabela 1: Vetor de 10 bytes - Estação Base -> Cápsula
•
Header: Valor constante de 255. Este valor foi escolhido pois nele todos
os bits estão em 1 e o checksum se apresentou mais consistente com este valor de
Header.
•
Motores ([1] ao [4]): Valor entre 0 a 255. Este valor representa a força e
direção de cada motor. Como na calibração os valores tratados do Joystick são
visualizados na faixa do -100 ao 100 (para facilitar no manuseio dos dados), os valores
47
negativos são convertidos em positivos utilizando o complemento de 2 (Lilja &
Sapatnekar, 2005). Com isso, os valores positivos se encontram entre 0 a 100, e os
valores negativos são convertidos entre 255 (-1) a 156 (-100).
•
Reservado ([5] a [8]): Valores reservados para uso futuro. Podem ser
utilizados para implementar comandos extras, ou uma inteligência artificial.
•
Checksum [9]: Valor de integridade dos dados. É obtido realizando um
exclusive or (xor) entre os dados anteriores do vetor de envio ([0] a [8]).
A mesma ideia também é implementada na comunicação a ser enviada a partir
da cápsula para a estação base. Como na cápsula podem ser implementados diversos
sensores, foi reservado um pacote de 30 bytes. Os valores do pacote seguem o
padrão da tabela abaixo:
[0]
[1] ... [28]
[29]
Header
Sensores e Extras
Checksum
Tabela 2: Vetor de 30 bytes - Cápsula -> Estação base
•
Header: Segue o protocolo descrito no envio
•
Sensores e Extras ([1] a [28]): Valores de 8 bits reservados para os
dados dos sensores ou valores extras que possam ser usados no futuro.
•
Checksum: Segue o protocolo descrito no envio
Em todos os pontos da comunicação é checado por consistência dos dados,
evitando de propagar pacotes com perda de dados.
3.5.2 Comunicação sem fio
A solução mais fácil e viável encontrada para implementar a comunicação sem
fio entre a estação base e a boia foi utilizando o módulo de comunicação CC110L
desenvolvidos pela Texas Instruments (Texas Instruments). As especificações do
CC110L atendem os requisitos de distância e energia requeridos para o projeto, além
de apresentarem a qualidade e robustez da Texas Instruments. Apesar deste módulo
ter sido desenvolvido para o micro controlador MSP430, ele apresenta plena
compatibilidade com o Stellaris e Tiva C.
48
Os módulos são adquiridos em pares (Figura 31) e são simples de serem
configurados. Junto com o dispositivo físico, uma biblioteca com exemplos é
disponibilizada pelo fabricante, tornando fácil a implementação.
Figura 31 – Módulos de Comunicação sem Fio (Texas Instruments).
Fonte: Texas Instruments
O CC110L já vem pronto para ser acoplado no micro controlador (Figura 32).
Após acoplado e configurado, a programação da comunicação sem fio é feita no
mesmo ambiente de desenvolvimento e somente duas bibliotecas devem ser
importadas ao programa. A documentação da biblioteca é bem detalhada e possui
todas as informações necessárias para implementar a comunicação (Texas
Instruments).
Figura 32 – CC110L acoplado a um micro controlador (Texas Instruments).
Fonte: Texas Instruments
49
Após compreender o funcionamento do módulo, a implementação da
comunicação sem fio pode ser implementada em poucas linhas de código. A seguir
estão descritas as funções básicas da comunicação sem fio:
Inicialização do módulo: Nele são necessários fornecer o endereço do
dispositivo (por padrão 0x01), a frequência utilizada na comunicação (CHANNEL_1 é
por padrão 868.3MHz) e a potência da transmissão (POWER_MAX sendo na máxima
frequência).
Radio.begin(0x01, CHANNEL_1, POWER_MAX);
Envio dos Dados: Esta função é chamada em loop a cada transmissão que
deve ser feita. Nela são fornecidos o endereço a qual os dados devem ser transmitidos
(este pode ser por padrão o endereço de broadcast, já que os módulos foram
previamente configurados), o vetor de dados a ser enviado (no exemplo abaixo o vetor
utilizado é o a ser enviado para cápsula) e o tamanho deste vetor (no exemplo: 10
bytes).
Radio.transmit(ADDRESS_BROADCAST, Base2Rov, 10);
Recebimento dos dados: Em cada loop do código principal é checado se
existem novos dados a ser recebido. Esta função retorna o número de bytes que foram
recebidos (ou 0 caso não existam dados). Esses dados são copiados para um vetor
que é fornecido como parâmetro da função (Rov2BaseBuffer). O tempo em que deve
ser aguardado por novos dados também é fornecido como parâmetro da função (no
exemplo abaixo: 50ms).
if (Radio.receiverOn(Rov2BaseBuffer, sizeof(Rov2BaseBuffer), 50) > 0)
O módulo já implementa um protocolo de comunicação próprio e este é
transparente para o usuário. Junto com este protocolo é implementado um valor de
checksum que pode ser verificado pelo usuário.
50
Na comunicação sem fio implementada, os valores recebidos tanto pela base
quanto pela boia só serão aceitos se os valores de checksum dos dois protocolos
(protocolo próprio descrito anteriormente e protocolo do CC110L) forem válidos.
A comunicação sem fio do módulo utilizado exige um pareamento dos
dispositivos, garantindo assim que o ROV não receberá comandos de dispositivos
indesejados e obedecerá apenas ao controle feito pela sua própria base. Além disso,
o microcontrolador foi programado para, caso aconteça uma falha de comunicação
que faça com que os dados da estação base não cheguem mais ao veículo por mais
de dois segundos, ele desliga os motores do sistema, de modo que o ROV emerge,
devido a sua flutuabilidade levemente positiva.
3.5.3 Comunicação serial
A transmissão de dados entre a boia e a capsula é feita por meio do cabo
Tether. Este é um cabo é um cabo de rede, devidamente isolado e impermeabilizado
para que seja capaz de transmitir os dados mas que não apresente infiltrações nas
bordas. A transmissão de dados no Tether é feita utilizando a comunicação Serial, que
por padrão é implementada nos microcontroladores da Texas Instruments.
No Stellaris existem 8 conjuntos de pinos (RX e TX) que são destinados a
comunicação serial, tornando a implementação desta comunicação simples e robusta.
A configuração física para realizar a comunicação consiste em conectar o pino RX do
Stellaris da boia no pino TX do Stellaris da capsula, assim como o pino TX da boia no
pino RX da capsula. Os pinos utilizados para esta configuração são referentes ao
Serial5 [ RX(5) e TX(5)] e podem ser visualizados na Figura 33.
51
Figura 33 – Mapa de pinos do Stellaris (Energia)
Fonte: Texas Instruments
Na parte de Software a implementação é similar a comunicação sem fio. As
principais funções estão descritas a seguir para a melhor compreensão do
funcionamento da comunicação.
Inicialização da porta Serial: O valor passado como parâmetro é a taxa de
transferência em bits por segundo.
Serial5.begin(9600);
Recebendo dados: A cada loop deve ser verificado se existem dados no buffer
da Serial. Se a quantidade de dados já corresponder ao tamanho de um pacote ele
pode ser lido. É também necessário encontrar o Header dentro dos dados, já que o
pacote pode estar fora de ordem. Depois de ter lido todos os dados também é
necessário verificar o byte de Checksum, caso ele seja invalido o pacote é jogado fora.
As funções abaixo foram retiradas do código da boia e servem para verificar o
tamanho do buffer, achar o Header, conferir se o pacote está inteiro e ler os dados
respectivamente:
if (Serial5.available() >= 30)
{
while(Serial5.read() != 255 && Serial5.available());
if (Serial5.available() >= 29)
{
52
for (int i = 1; i < 30; i++)
vetor[i] = Serial5.read();
}
}
Enviando os dados: Após formar um pacote de dados pronto para ser enviado,
este pode ser transmitido pela saída TX pela função write(byte). O trecho abaixo foi
retirado do código da boia e representa o envio dos dados para a cápsula:
for (int i = 1; i < 30; i++)
Serial5.write(vetor[i]);
3.6
INTERFACE DE CONTROLE
Como interface de controle do ROV, foi optado por usar um dispositivo intuitivo
e de fácil manuseio. Como havia um joystick disponível (Figura 34), resolveu-se
adaptá-lo a fim de fazer uso do mesmo para controlar o submarino. A alavanca
principal ficaria responsável pelos movimentos para frente, trás e lados e o
“potenciômetro” traseiro responsável pelos movimentos de imersão e emersão do
ROV. Os outros botões seriam desativados e não executam nenhuma função.
53
Figura 34 – Joystick Logitech Attack 3, em destaque o potenciômetro traseiro
Fonte: < http://www.logitech.com/assets/17393/17393.png>
O primeiro passo foi desmontá-lo (Figura 35) e, com o auxílio do osciloscópio,
identificar os pinos responsáveis pela alimentação e pelo tráfego de informação de
cada eixo.
Figura 35 – Circuitos internos do joystick
Fonte: Autoria própria
Ligando o joystick no computador, monitorando pino a pino com o
osciloscópio e movimentando os eixos, foi observado que, para cada eixo, há um pino
de saída analógica cuja tensão representa a posição do eixo. Com base em testes
feitos em todos os pinos, foi montada a seguinte tabela de equivalência:
54
Cor
Informação
Azul
Ground
Laranja
VCC
Verde
Eixo X
Amarelo
Eixo Y
Vermelho
Eixo Z
Tabela 3 – Correspondências entre cores e funcionalidades.
De posse dessas informações, foi desligado o cabo USB do joystick e feita a
alimentação direto do microcontrolador. Também foi ligado cada pino de dado do
joystick a um pino ADC do microcontrolador, como pode ser visto na Figura 36. Para
ter a informação de cada eixo de forma mais precisa, foi feito um programa para
efetuar a calibração do joystick sempre que ele for inicializado, afim de verificar os
valores máximo e mínimo de cada eixo. Mais adiante será explicado com mais
detalhes como foi feita a calibração.
Figura 36 – Pinos de dados “interceptados”
Fonte: Autoria própria
3.7
CALIBRAÇÃO
A leitura dos valores do Joystick, utilizando o conversor ADC, fornece valores
sem padrões ou formatações. Além disso, a resolução para cada eixo do Joystick é
diferente, assim como a faixa de valores em que os dados se encontravam se alterou
55
em cada teste realizado. Tendo em vista estes problemas, foi necessário implementar
uma calibração do Joystick e que esta seja realizada a cada início do sistema.
Alguns requisitos foram julgados necessários na implementação da calibração
do joystick:

Consistência dos valores: Para cada posição do Joystick, os valores
obtidos devem ser sempre os mesmos, respeitando uma faixa de valores
pré-estabelecida.

Praticidade: A calibração não deve demorar mais de 60 segundos e
também não deve ser complexa, podendo ser realizada por qualquer
pessoa.

Dinâmica: O programa deve se adaptar a mudanças nos valores de
entrada como também ser independente da resolução do conversor ADC
do micro controlador.

Robusto: A implementação deve garantir que toda calibração seja
realizada com sucesso.
A implementação da calibração consiste em uma análise dos dados obtidos do
Joystick e o tratamento dos mesmos. A análise é realizada somente ao iniciar o
sistema, enquanto o tratamento é realizando durante toda a operação pós análise.
3.7.1 Análise
Nesta etapa os valores de todos os possíveis movimentos dos eixos do Joystick
são analisados. Os movimentos do joystick são realizados manualmente e
individualmente, sendo indicado pelo próprio programa quais passos devem ser
tomados. Mensagens de auxílio são enviadas ao computador via porta Serial para
instruir na calibração. Luzes de LEDs foram programadas nesta etapa para instruir na
calibração caso um computador não esteja disponível.
Para garantir a eficiência do programa, cinco movimentos devem ser
realizados. Um botão deve ser acionado pelo usuário antes de cada movimento, para
garantir que o movimento realizado é realmente o requerido. Em cada movimento são
armazenados os dez valores máximos obtidos assim como também os dez valores
mínimos, estes são utilizados na fase de tratamento. O tempo de análise de cada
movimento escolhido é de 5 segundos, este período foi o que se demonstrou mais
56
eficiente nas calibrações. Em média são realizadas trezentas leituras para cada
movimento.
3.7.2 Tratamento
Após a etapa de análise, o programa começa a sua rotina padrão de
funcionamento. Como a calibração é implementada no micro controlador da estação
base, esta rotina consiste em tratar os dados, enviar os dados para a boia e receber
os dados da mesma.
Nesta etapa, a cada loop do programa é realizado uma leitura de todos os eixos
do Joystick. Após cada leitura, o valor é tratado utilizando a função map (Energia) e
limitado utilizando a função constrain.
A função map ajusta o valor utilizando uma regra linear, baseado nos limites
que o valor pode assumir e quais os limites desejados para aquele valor. Nesta função
são utilizados os valores obtidos na etapa de análise para informar quais os limites
em que o dado pode assumir.
A função constrain limita para que o valor esteja em uma faixa de valores.
Garantindo assim os valores máximos e mínimos retornados pela calibração.
Tendo os valores tratados, uma aproximação é necessária para garantir que
valores próximos aos extremos sejam o extremo. Essa aproximação é indispensável
para garantir que movimentos sutis sobre o Joystick parado (gerados por vibrações
ou imprecisão manual) sejam ignorados.
3.8
LÓGICA DO CONTROLE DOS MOTORES
Após a etapa de tratamento, a calibração está pronta e os valores já se
encontram no formato necessário para serem utilizados. Uma lógica foi desenvolvida
e implementada para enviar para cada motor o valor indicativo de sua força e direção.
A lógica se baseia na resposta intuitiva esperada do R.O.V. para cada
movimento realizado no Joystick. Um diagrama simples foi construído para visualizar
o comportamento esperado dos motores para cada movimento do Joystick, uma parte
deste diagrama pode ser visualizado na Figura 37.
57
Figura 37: Parte do diagrama de resposta dos motores ao joystick
Fonte: Autoria própria
Os valores de “Esquerdo” e “Direito” representam a força e direção dos motores
responsáveis pela navegação horizontal do ROV. O valor máximo para a força do
motor é considerado 100 e sua direção é indicada pelo sinal negativo ou positivo. Os
motores responsáveis pelo movimento vertical foram ignorados já que eles atuam
sempre com mesma força e sentido, não sendo necessário nenhuma lógica após a
calibração.
A lógica permite que o ROV tenha uma boa mobilidade, inclusive podendo
realizar curvas abertas e fechadas. Além disso, o movimento no próprio eixo é
possível.
Um fator de correção, não considerado no diagrama, é aplicado na força dos
motores caso os motores estejam funcionando em sentidos opostos. Esse fator
corresponde à diferença de desempenho das hélices ao girar no sentido oposto do
projetado.
58
4 TESTES DE CAMPO
Neste capítulo serão descritos os testes realizados afim de garantir a
conformidade do ROV com sua especificação. Os testes foram realizados de forma
independente, possibilitando isolar e corrigir problemas e evitando qualquer tipo de
dano aos componentes críticos caso os problemas surgissem ao final do projeto,
quando os blocos fossem integrados uns aos outros. Alguns testes foram realizados
em condições mais duras que a especificação para garantir maior robustez.
4.1
TESTES DO TETHER
Algumas precações precisam ser tomadas para um funcionamento adequado
de tether. É preciso garantir que sua extensão não prejudique o sinal, que a
movimentação do ROV não seja afetada devido ao peso do cabo, que a boia não vire
devido à falta de flexibilidade dos fios e que o isolamento dos orifícios onde ele passa
para chegar a boia e a cápsula seja feito de tal modo a evitar quaisquer infiltrações.
4.1.1 Testes de sinal
Devido à resistência elétrica do fio e ao comprimento deste, pode haver uma
atenuação significativa no sinal, visto que esse possui um baixo valor de tensão. Para
certificar-se que isso não ocorresse foram feitos testes que mostraram que o cabo
escolhido para o tether funciona para o comprimento proposto de dois metros. Tais
testes foram feitos conectando dois microcontroladores e fazendo a comunicação via
serial, deste modo foi detectado haver integridade nas informações transmitidas.
4.1.2 Testes de flutuabilidade
A densidade do cabo escolhido é maior que a da água, este fator poderia fazer
com que seu peso o fizesse afundar rapidamente, puxando todo o sistema para baixo.
Fazendo testes com vários comprimentos de cabo e usando bolas de isopor de 25mm
de diâmetro para aumentar o empuxo sem alterar significantemente o peso, foi visto
59
que duas bolas eram suficientes para fazer um metro de cabo se manter na superfície
da água (Figura 37Figura 38). Como o tether possui dois metros, seriam suficientes
quatro bolas de isopor para o cabo não afundar, porém visto que, embora o cabo se
encontre na superfície, uma de suas pontas se mantém um pouco submersa quando
colocado na água, foi definido que seriam utilizadas cinco bolas de isopor nos dois
metros do tether.
Figura 38 – Foto de um metro de cabo com duas bolas de isopor
Fonte: Autoria própria
4.1.3 Testes de flexibilidade
A falta de flexibilidade do cabo utilizado poderia causar problemas por aplicar
força na boia ou no ROV. Há um grande grau de dificuldade em garantir que uma
possível baixa flexibilidade do tether não cause nenhum efeito. Uma alternativa então
é garantir que as estruturas nas extremidades do cabo não sofram danos caso isso
aconteça. Como a boia é a mais leve e mais suscetível a danos nesse contexto, visto
que uma força aplicada no ROV apenas acarretaria numa pequena translação do
mesmo, já a mesma força aplicada a boia poderia até mesmo fazer com que virasse,
uma solução é fazer com que esta seja hermeticamente fechada, assim garantido que
a agua não adentre sua estrutura.
60
4.1.4 Testes de isolamento
O orifício por onde o tether adentra a boia e a cápsula precisa ser vedado de
modo que não ocorra nenhuma infiltração. O método utilizado é passar os fios
descascados individualmente pelos orifícios e selando com o material adequado. Os
fios descascados garantem que caso ocorra algum dano na jaqueta do cabo a água
não venha escorrer por entre ela e o fio até os componentes eletrônicos. Como teste
inicial foi utilizada resina epóxi, mostrado na Figura 39 e na Figura 40, para fazer a
vedação. Para utilização na boia este primeiro método se comportou adequadamente,
porém quando utilizada nas partes que ficam submersas apresentou infiltrações
devido ao aumento de pressão (Figura 41). Substituindo a resina epóxi pela cola
eslastil (mostrada na Figura 42), o isolamento se mostrou adequado.
Figura 39 - Cabo isolado com epóxi na parte externa
Fonte: autoria própria
61
Figura 40 - Cabo isolado com epóxi na parte interna
Fonte: Autoria própria
Figura 41 - Testes de isolamento do tether na boia
Fonte: autoria própria
62
Figura 42 - Cola utilizada para fazer a vedação
Fonte: autoria própria
4.2
TESTES DOS MOTORES
Com a escolha dos motores feita e os motores em mãos, alguns testes foram
realizados para poder dimensionar os outros componentes do ROV.
A força dos motores foi testada de maneira empírica. Segurando o motor dentro
da água foi possível sentir a força que ele é capaz de realizar, sendo necessária uma
força considerável para mantê-lo estável. Comparando com a força necessária para
movimentar um objeto submerso de densidade próxima à da água, conclui-se que o
motor possui força suficiente para movimentar o ROV.
Finalmente, para ser possível dimensionar corretamente a bateria e os circuitos
eletrônicos, foi preciso medir qual a corrente utilizada pelos motores durante o seu
funcionamento. Para isso foi usado o sensor de corrente ACS712-30A, mostrado na
Figura 43, capaz de medir até 30 ampères. Ligando a saída do sensor no conversor
AD do microcontrolador Tiva-C e realizando a leitura dos valores segundo instruções
do datasheet do sensor (Allegro MicroSystems, 2006).
63
Figura 43 – ACS712-30A
Fonte: <http://img.dxcdn.com/productimages/sku_158589_1.jpg >
Testes com o motor no ar e na água apresentaram os seguintes valores médios,
em ampères, de corrente de pico e regime:
Ar
Água
Pico
2,3
7,1
Regime
0,9
4,1
Tabela 4: Valores de corrente nos motores quando testados no ar e na água
4.3
TESTES DE AUTONOMIA DA BATERIA
Testar a autonomia da bateria é inviável, já que, além de o tempo de carga ser
grande, uma descarga completa da bateria pode danificá-la. Dessa forma foi feita
apenas uma projeção da autonomia da bateria, baseado no consumo dos
componentes do ROV e no datasheet da bateria.
Os motores, no pior caso, consomem 4,1 ampères cada – podemos desprezar
a corrente de pico, pois essa corrente só é necessária por uma fração de segundo
durante
a
partida
do
motor.
Os
componentes
eletrônicos
–
somando
microcontroladores, comunicador RF, sensores e controladores dos motores –
consomem no máximo um ampère. Como o ROV possui quatro motores, no pior caso
o consumo total em regime será de 17,4 ampères. Verificando o datasheet fornecido
pelo fabricante da bateria (Unipower, 2014), é observado que o tempo de descarga
para aproximadamente 18 ampères em regime situa-se entre 10 e 15 minutos.
64
Tabela 5: descarga bateria UP12120. Em destaque a região de operação do ROV.
Fonte: (Unipower, 2014).
4.4
TESTES DO SISTEMA DE COMUNICAÇÃO
Para garantir a robustez do sistema de comunicação, foram estabelecidos
alguns testes e visualizados expectativas com os resultados. O sistema foi estressado
até o limite, empurrando além dos limites estabelecidos neste projeto para garantir
com maior certeza a funcionalidade do mesmo.
Os testes realizados pretendiam determinar:

Integridade temporal: O sistema deve funcionar, independentemente do
tempo em que este está em funcionamento. Para atingir este requisito,
a comunicação ficou em funcionamento por 6 horas, com a distância da
comunicação sem fio fixa em 10 metros. Durante todo o período o
sistema ficou em observação e este não apresentou nenhuma anomalia
ou mal funcionamento.

Integridade espacial: A comunicação não deve apresentar problemas a
uma distância inferior de 15 metros (na comunicação sem fio). Neste
requisito, a estação base e o conjunto boia-ROV foram afastados, em
campo aberto, até apresentar perdas nos dados. Esta distância superou
o requisito pré-estabelecido em pelo menos o dobro, não apresentando
nenhum problema na faixa entre 0 a 15 metros.

Consistência dos dados: Nenhum pacote deve chegar as extremidades
com erro e ser validado, dentro dos requisitos do sistema. Pacotes com
defeitos devem ser identificados e descartados. Este requisito foi
validado juntamente com a integridade espacial e temporal. Em todos os
testes, os pacotes com perda de dados foram identificados pelo sistema
65
de checagem de dados do sistema de comunicação e devidamente
descartados.
Durante todo os testes o Joystick estava conectado ao sistema de comunicação
e este também não apresentou mal funcionamento ou incoerência nos dados. O
sistema de calibração foi testado em diferentes microcontroladores (com diferentes
resoluções do conversor analógico-digital) e não apresentou nenhum problema.
Após ter testado a comunicação e obter resultados satisfatórios, o motor foi
acoplado ao sistema e foram testados a funcionalidade de cada motor diante dos
comandos do joystick.
Todos os motores apresentaram a resposta adequada aos comandos do
joystick, seguindo a lógica implementada no sistema de calibração.
4.5
TESTES DE FLUTUABILIDADE
Para garantir que o ROV consiga se movimentar adequadamente é preciso
colocar pesos e flutuadores de modo que sua densidade final se aproxime da
densidade da água, podendo sua flutuabilidade ser levemente positiva, ou seja, sua
densidade ser ligeiramente maior em relação a da água. Além disso é importante que
seu peso seja distribuído de maneira uniforme, para que permaneça estável com o
movimento. No primeiro momento toda a estrutura é colocada na água para calibrar o
conjunto. E visto que a vedação dos cabos precisava ser verificada, os componentes
eletrônicos foram substituídos por pesos que simulavam o peso total dos
componentes retirados. Foi observado que a ROV possuía flutuabilidade fortemente
positiva, subindo rapidamente a superfície quando colocado no fundo da piscina.
Também seu peso não estava distribuído de forma adequada, pois rotacionava,
ficando invertido no eixo vertical. Nesse teste ainda foi constatado que não havia
infiltrações na cápsula.
Colocando pesos na parte inferior da estrutura até estes afundarem o ROV e
colocando boias na parte superior da estrutura (Figura 44), conseguiu-se a adequação
da flutuabilidade, como pode ser visto na Figura 45. Os pesos aumentam a massa da
estrutura sem aumentar muito volume de forma que a densidade aumenta, as boias o
contrário. Assim a densidade de toda a estrutura se aproxima do desejado e,
66
distribuindo as boias de maneira adequada, é possível conseguir uma maior
estabilidade do ROV, por deixar sua densidade mais uniforme. Os quantidade e
distribuição dos pesos e das boias foram definidas empiricamente, ajustando-as e
colocando o veículo na água até este se comportar como desejado.
Figura 44 - Foto da estrutura com pesos e boias
Fonte: autoria própria
Figura 45 - Foto da estrutura na água
Fonte: autoria própria
67
4.6
TESTES DE NAVEGABILIDADE
Colocando o ROV na piscina foi feito o teste final do projeto, que mostrou o
comportamento do mesmo quanto a sua locomoção na água. Sua velocidade se
mostrou bastante satisfatória, bem acima da esperada no começo do projeto. O
veículo também se mostrou muito eficiente em fazer curvas, tanto em curvas abertas
como para girar no seu próprio eixo, movimento que consegue executar com
facilidade. Quando acionado no sentido reverso os motores sofrem uma perda bem
pequena de força, de modo que seus movimentos continuam com boa rapidez e
precisão. Devido as dimensões limitadas da piscina, não foi possível dimensionar qual
a velocidade atingida.
68
5 CONCLUSÃO
Durante o desenvolvimento do trabalho encontramos diversas adversidades,
porém foi possível superar todas.
Um dos primeiros problemas encontrados foi em relação ao tether. Usamos um
cabo ethernet cat 5 que, enquanto com o invólucro azul externo, parecia
suficientemente maleável e resistente. Porém ao “abrirmos” o cabo, os fios internos
se mostraram demasiadamente frágeis, muitas vezes quebrando com o movimento
da boia. Contornamos o problema usando um cabo maleável para colocar na entrada
da boia e da cápsula, dessa forma bastou soldar o cabo de rede nas pontas externas
e reforçar com termo-retrátil para que não quebrasse mais.
Na parte de conexões internas não conseguimos antever algumas situações.
Foram usados conectores borne soldados na placa perfurada para fazer a conexão
das placas com os fios. Porém, ao fixar a placa no suporte interno da cápsula, os
parafusos para apertar o borne ficaram inacessíveis, forçando a ter que retirar a placa
toda vez que fosse necessário soltar ou prender algum fio. Para facilitar o manuseio,
foi utilizado conectores elétricos semelhantes aos usados para ligar um chuveiro na
rede elétrica, assim deixando uma parte do fio sempre parafusada na placa e a outra
parte com um conector exposto.
Ainda na parte das conexões, não foi antecipado em como seria feito para ligar
e desligar o sistema. Com o projeto praticamente pronto, a ligação era feita colocando
os conectores direto na bateria, muitas vezes gerando faíscas. A solução foi utilizar
um interruptor capaz de suportar nossas demandas de tensão e corrente.
Já na parte eletrônica, não foi atentado para o fato de que a parte traseira do
encapsulamento TO-220 dos transistores IRF3205 é eletricamente conectada ao pino
2 (dreno). Dessa forma, levou-se algum tempo para descobrir que os componentes
queimavam quando os dissipadores dos transistores se encostavam. Além disso,
alguns dissipadores ficaram posicionados levemente para fora da placa e, ao colocar
a estrutura dentro da cápsula, tais dissipadores acabavam encostando nas bordas do
cano e entortando o transistor. Isso foi solucionado reposicionando os componentes
na placa.
69
Finalmente, um dos maiores problemas encontrados foi fazer a vedação da
cápsula de forma rápida e eficiente, porém a custo baixo. A princípio foi pensado em
vedar com cola, porém a cola deveria secar antes de colocar o ROV na água. Foi
tentado também usar a tampa do cano PVC com a borracha de vedação fornecida
pelo fabricante: ficou muito bem vedado, porém era impossível retirar a tampa uma
vez que fosse colocada. No fim, foi feita uma solução com borracha e fechos de
pressão. Uma borracha macia foi colada nas laterais do fundo da tampa e um fecho
de pressão parafusado na cápsula. Dessa forma, basta encaixar na tampa as hastes
do fecho e pressionar as alavancas para que a tampa fique pressionada contra o cano
com a borracha na interface fazendo a vedação.
Este projeto, que tinha como objetivo geral desenvolver um ROV para fins
acadêmicos, de baixo custo e sob condições limitadas obteve excelentes resultados.
Muitas vezes se mostrou capaz de operar em condições acima do que era esperado,
como por exemplo a velocidade de navegação, a força dos motores quando
submerso, o sistema de vedação e a estabilidade eram fatores muito preocupantes
no início do projeto.
No decorrer do projeto, com o auxílio de professores especializados na área e
também diversos tipos de pesquisas e conhecimentos adquiridos anteriormente,
foram realizados testes empíricos de forma que os resultados foram muito
satisfatórios, como podem ser vistos abaixo:
•
Raramente houve perda de dados na comunicação a partir do protocolo
de comunicação implementado, as vezes em que houve, os pacotes
foram descartados, a fim de garantir que nenhum dado inconsistente
seja encaminhado.
•
A velocidade nos motores quando submerso foi expressivamente
maiores que o esperado.
•
A vedação dos componentes, fator mais impactante no projeto, foi
vencida por excesso de colas de silicone e anéis de borracha, no qual
não houve problemas.
•
O tempo de navegação, estimado de 10 a 15 minutos, foi ultrapassado
quando os motores foram acionados em pares, além de mostrar-se
dentro do limite também quando ligados os quatro, em potência máxima.
70
•
Não houve problema na obtenção e leitura dos dados dos sensores, uma
vez que já implementado e tratado no software para receber dados do
ROV de volta a estação base.
•
A estabilidade do ROV foi simplesmente alcançada pelo fato de ser em
formato trapézio, com o centro de massa concentrado na parte inferior
do ROV, além disso, os pesos de ferro e os pedaços de espuma
contribuíram para tal estabilidade.
Na tabela 6, pode ser observado o baixo-custo do projeto em relação à ROVs
comerciais.
Qtd
Descrição
Local
Custo
Unitário
Custo
Total
Diversos
4
Bilge Pump Seaflo
BarcoNovo
R$60.00
R$240.00
6
Hélices
HarborModels
R$30.30
R$181.80
1
Estrutura ROV
Balaroti
R$75.37
R$75.37
1
Bateria Unipower 12V 12Ah
Beta
R$118.70
R$118.70
4
Adaptadores motor-hélice em
alumínio
Tornearia Irmãos
Fior
R$10.00
R$40.00
Ponte H Definitiva
40
Resistores diversos
Beta
R$0.03
R$1.20
8
Transistores BC548
Beta
R$0.10
R$0.80
8
Transistores BC558
Beta
R$0.10
R$0.80
16
Transistores IRF3205
Beta
R$3.10
R$49.60
2
Conectores Borne 3 vias
Beta
R$0.70
R$1.40
8
Conectores Borne 2 vias
Beta
R$0.49
R$3.92
16
Dissipadores de alumínio
Beta
R$0.62
R$9.92
16
Parafusos com porca
Beta
R$0.50
R$8.00
2
Placa perfurada universal
10x10
Beta
R$8.87
R$17.74
Regulador de Tensão
1
Conector Borne 3 vias
Beta
R$0.70
R$0.70
4
Conectores Borne 2 vias
Beta
R$0.49
R$1.96
1
Regulador LM7805
Beta
R$0.80
R$0.80
1
Regulador LM7808
Beta
R$0.84
R$0.84
1
Regulador LM7809
Beta
R$1.09
R$1.09
1
CI LM555
Beta
R$0.50
R$0.50
Total
R$755.14
Tabela 6 – Componentes, quantidades e custo total do projeto.
71
Dessa forma, a disciplina de Oficina de Integração 3 se mostrou de extrema
importância na formação de um engenheiro, uma vez que põe levemente de lado a
essência teórica e aprimora o conteúdo prático, essencial para a formação de um bom
profissional. Além disso, a disciplina proporciona um passo importante para o trabalho
de conclusão de curso (TCC), que muito provavelmente servirá de base, tanto sobre
o conteúdo prático quanto ao amadurecimento enquanto aluno após a realização
desta monografia.
Sobre o projeto, pode-se dizer que foi excelente a experiência auto desafiadora
de realizar, pois tal projeto pode ser considerado de alta complexidade, sendo utilizado
comercialmente por grandes empresas.
Desde de um simples parafuso até todo o sistema de controle dos motores,
foram todos projetados, pensados, desenhados e discutidos entre o grupo, o que
muitas vezes coube ao consenso de fazer escolhas e cumprir metas e datas de
entrega, sendo assim, aprimorando também a experiência do convívio interpessoal.
Sobre o resultado obtido, foi extremamente satisfatório, no qual muitas vezes
obteve resultados acima do esperado e dentro das datas de entrega pré-definidas.
Todos os integrantes do grupo trabalharam de forma sincronizada e dinâmica para ao
fim, obter o tal chamado UTFPROV.
5.1
TRABALHOS FUTUROS
Trabalhos futuros, sejam desta disciplina ou em outras, podem expandir este
projeto de diversas maneiras. Estudos de estabilidade submersa podem levar a
modificações no projeto da estrutura. A cápsula pode ser modificada, para que tenha
a resistência e vedação necessárias para profundidades maiores. As baterias,
motores e pontes H são passíveis de alteração, visando aumentar o tempo de
navegação do ROV.
Outra linha de modificações envolve a inclusão de sensores e atuadores,
ampliando as capacidades exploratórias do veículo. De imediato, sugere-se a inclusão
de garras robóticas, para a manipulação de objetos submersos. Dentre os diversos
sensores, destaca-se a inclusão de câmeras de vídeo, possibilitando navegação sem
contato visual com o ROV.
72
Sistemas de controle podem ser desenvolvidos, automatizando algumas
tarefas da navegação. Um sistema que mantenha a profundidade do ROV em um
ponto de interesse do navegador humano é um exemplo. Finalmente, um sistema
completo de navegação pode ser desenvolvido, transformando-o em um veículo
autônomo.
73
6 REFERÊNCIAS
Allegro MicroSystems. (2006). ACS712 Datasheet. Acesso em 8 de Julho de 2014,
disponível
em
Sparkfun:
https://www.sparkfun.com/datasheets/BreakoutBoards/0712.pdf
Anaren. (s.d.). Air BoosterPack Users Manual. Acesso em 14 de 05 de 2014,
disponível
em
Anaren:
http://www.anaren.com/sites/default/files/uploads/File/BoosterPack_Users_Ma
nual.pdf
Arquimedes. (1996). Sobre os Corpos Flutuantes, Tradução Comentada. (A. K. Assis,
Trad.) Revista da SBHC, n. 16, pp. 69-80.
Bernardini, J. (2014). Radio Frequency and Antenna Fundamentals. Acesso em 6 de
Maio de 2014, disponível em Community College of Rhode Island:
http://faculty.ccri.edu/jbernardini/JB-Website/ETEK1500/1500Notes/CWNAed4-Chapter-2.pdf
Brunetti, F. (2004). Mecânica dos Fluidos. Pearson Education.
Cassidy, D. C., Holton, G., & Rutherford, F. J. (2002). Understading Physics. Springer.
Christ, R. D., & Wernli, R. L. (2014). The ROV Manual: A User Guide for Remotely
Operated Vehicles. Oxford: Elsevier.
College, M. P. (2014). Marine Advanced Technology Education. Fonte: MATE:
http://www.marinetech.org/
Cui, J.-H., Kong , J., Gerla, M., & Zhou, S. (Maio de 2006). The Challenges of Building
Scalable. IEEE, p. 18.
Electronics, Pulse; Antennas, Larsen. (s.d.). Antenna Basic Concepts. Acesso em 14
de
05
de
2014,
disponível
em
Pulse
Electronics:
http://www.pulseelectronics.com/download/3248/antenna_basic_concept.pdf
Energia. (s.d.). map. Acesso em 20 de Agosto de 2014, disponível em Energia:
http://energia.nu/Map.html
Filho, W. B. (2006). Fenômenos de transporte para engenharia. Rio de Janeiro: LTC.
Group, Qualitative Reasoning. (s.d.). Communications System. Acesso em 13 de 05
de
2014,
disponível
em
Northwestern
University:
74
http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/communications/1-how-isdata-put-on-radio-waves.html
Instruments, National. (s.d.). RF and Communications Fundamentals. Acesso em 14
de 05 de 2014, disponível em National Instruments: http://www.ni.com/whitepaper/3992/en/
JAMSTEC. (2001). 10,000m class deep sea ROV "KAIKO". Acesso em 4 de Maio de
2014, disponível em Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology:
http://www.jamstec.go.jp/jamstec-e/gallery/mujin/kaiko.html
JUNIOR, V. S. (23 de 05 de 2014). Sistema de Propulsores para um ROVSubaquático. Fonte: Centro Universitário das Faculdades Associadas de
Ensino: http://fae.br/2009/EngComputacao_literaturas/TCC_Propulsores.pdf
Labs, Sakshat Virtual. (s.d.). I/Q Data in Communication Systems. Acesso em 14 de
05
de
2014,
disponível
em
Sakshat
Virtual
Labs:
http://iitg.vlab.co.in/?sub=59&brch=163&sim=611&cnt=1085
Levin, D. (s.d.). ROV's In a Bucket. Acesso em 6 de Maio de 2014, disponível em
Monitor
National
Marine
Sanctuary:
http://monitor.noaa.gov/publications/education/rov_manual.pdf
Marine Technology Society. (2014). Remotely Operated Vehicle Committee of the
Marine Technology Society. Acesso em 4 de Maio de 2014, disponível em ROV
Committee.
Mercury Marine. (s.d.). CHAPTER 4 - PROPELLER TERMINOLOGY. Acesso em 23
de
05
de
2014,
disponível
em
Pagesperso-Orange:
http://argonaute.pagesperso-orange.fr/Helice.pdf
Munson, B. R. (2004). Fundamentos da mecânica dos fluidos. São Paulo: Blücher.
Newton, I. (1726). Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.
O'Brien, S. (01 de 05 de 2012). Underwater Remotely-Operated Vehicle. Acesso em
5
de
Maio
de
2014,
disponível
em
mbed:
http://mbed.org/media/uploads/scotto/project_report.pdf
Oceanus. (26 de Junho de 2006). New Hybrid Deep-sea Vehicle Is Christened Nereus.
Acesso em 4 de Maio de 2014, disponível em Oceanus Magazine:
http://www.whoi.edu/oceanus/viewArticle.do?id=14107
Oliveira, L. C. (s.d.). Motores Elétricos CA. Acesso em 20 de 08 de 2014, disponível
em
Pagina
Pessoal
Luiz
Carlos
http://paginapessoal.utfpr.edu.br/oliveira/MotoresCA.pdf/view
de
Oliveira:
75
Oliveira, L. C. (s.d.). Motores Elétricos CC. Acesso em 20 de 08 de 2014, disponível
em
Pagina
Pessoal
Luiz
Carlos
de
Oliveira:
http://paginapessoal.utfpr.edu.br/oliveira/MotoresCC.pdf/view
OpenROV. (2014). Open-Source Underwater Robots for Exploration and Education.
Acesso em 05 de Maio de 2014, disponível em OpenROVs: http://openrov.com/
Reis, G. S., & Ramos, M. F. (2010). Comunicação e Controle do ROV Subaquático.
Acesso
em
5
de
Maio
de
2014,
disponível
em
UNIFAE:
http://fae.br/2009/EngComputacao_literaturas/TCC_ROV.pdf
Remote Operated Vehicle Committee of the Marine Technology Society. (s.d.). ROV
APPLICATIONS - DESIGN – PROPULSION. Acesso em 23 de 05 de 2014,
disponível em ROV: http://www.rov.org/rov_design_propulsion.cfm
Robbins, P. (s.d.). Do-It-Yourself Underwater Remotely Operated Vehicle. Acesso em
5
de
Maio
de
2014,
disponível
em
squarespace:
http://philip-
robbins.squarespace.com/s/ROV_how_to.pdf
TEC Datawire. (s.d.). Cat5 Spec, cat6 specs, cat7 spec - Definitions, Comparison,
Specifications. Acesso em 20 de 08 de 2014, disponível em tec datawire:
http://www.tecdatawire.com/
Thone, S. (2009). Tether - Power and Voltage Drop Examples. Acesso em 6 de Maio
de
2014,
disponível
em
Home-Built
ROVs:
http://homebuiltrovs.com/howtotethervoltagedrop.html
Thone, S. (12 de Junho de 2012). Home Built ROV's. Acesso em 5 de Maio de 2014,
disponível em Home-Built ROVs: http://www.homebuiltrovs.com/
Toronto Police Service. (2014). Toronto Police Service :: To Serve and Protect. Acesso
em
4
de
Maio
de
2014,
disponível
em
http://www.torontopolice.on.ca/marine/diveops.php
Unipower. (2014). UP12120. Acesso em 18 de Junho de 2014, disponível em
Unipower:
http://unipower.com.br/index.php?option=com_docman&task=doc_view&gid=1
4&tmpl=component&format=raw&Itemid=111
Wisman, R. (28 de Novembro de 2012). MSP430 Serial Communications. Acesso em
5
de
Maio de
2014,
disponível em Indiana
University
Southeast:
http://homepages.ius.edu/RWISMAN/C335/HTML/msp430SerialComm.htm
76
77
APÊNDICE(S)
APÊNDICE A – CRONOGRAMA
78
79
80
81
82
APÊNDICE B – RISCOS
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Inundação do ROV
No da Identificação: 01
Descrição do Risco: O ROV pode, devido à má vedação ou a danos à estrutura, sofrer de vazamentos
dentro do(s) compartimento(s) seco(s), danificando elementos elétricos e eletrônicos presentes no
compartimento, e/ou reduzindo a flutuabilidade deste.
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( x )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Uma inundação do compartimento com eletrônicos pode comprometer todos os dispositivos
presentes, gerando custos adicionais para substituição/manutenção dos equipamentos danificados.
Além disso, um volume grande de água infiltrada pode neutralizar a flutuabilidade do ROV, afundandoo junto do tether e dispositivos de superfície.
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( x )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Os materiais utilizados, embora apropriados para operações com água, podem conter falhas
nos encaixes e conectores.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: Todos os conectores, juntas, tampas serão inspecionados antes de cada
mergulho. Cada parte individual será testada em piscina antes da montagem final. Após cada mergulho,
uma inspeção rigorosa nos elementos submersos deve ser feita para localizar pequenos vazamentos
antes que estes se tornem um problema. Só colocar os componentes eletrônicos após rigorosos testes
nos compartimentos onde estes estarão presentes.
Impacto Reavaliado: Médio/Alto
Probabilidade Reavaliada: Médio/Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
83
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Tether com peso muito diferente do peso da
No da Identificação: 02
água
Descrição do Risco: O tether pode, devido aos materiais e processo de fabricação, ser mais pesado ou
mais leve que a água. Isto pode forçar a boia de comunicação ou o ROV a afundar, ou ainda afetar a
navegabilidade do ROV.
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( x )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Como os testes serão feitos em ambiente controlado e acessível aos membros da equipe, os
equipamentos podem ser recuperados antes que danos permanentes sejam causados.
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( x )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Os cabos utilizados não são projetados para possuir flutuabilidade neutra.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: Pesos e/ou flutuadores serão incluídos no cabo, distribuídos de forma a equilibrar
o peso deste com o da água. Usar objetos de mesmo peso que a boia e o ROV para fazer o teste do
tether antes de montar o sistema final.
Impacto Reavaliado: Baixo
Probabilidade Reavaliada: Médio/Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
84
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Perda de conexão no tether
No da Identificação: 03
Descrição do Risco: Graças ao comprimento, a resistência elétrica do tether pode ser suficiente para
tornar indistinguível a variação entre os níveis de tensão utilizados na comunicação.
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( x )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Sem a conexão entre a base flutuante e o ROV, torna-se impossível o controle deste.
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( x )
Baixo: ( )
Explique: O nível de tensão utilizado em protocolos seriais RS-232 varia entre ±3V a ±15V, sendo o
intervalo entre +3V e -3V bit inválido. Caso a resistência do meio seja alta demais, os níveis podem ser
afetados.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: Fazer previamente testes de comunicação com o cabo do tamanho que será
utilizado, para que, caso tenha problemas, possam ser sanados cedo, diminuindo o impacto no
cronograma. Ao detectar erros, adicionar de um amplificador de sinal nas saídas de transmissão dos
microcontroladores. Como uma última alternativa teria de se procurar um cabo de menor resistência
elétrica.
Impacto Reavaliado: Médio/Baixo
Probabilidade Reavaliada: Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
85
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Falta de Flexibilidade do tether
No da Identificação: 04
Descrição do Risco: O tether pode ser pouco flexível, afetando a navegabilidade do ROV.
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( x )
Baixo: ( )
Explique: Durante a navegação, o tether pode dificultar a navegabilidade.
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( x )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: O cabo escolhido (Ethernet CAT 5), por ser feito com um único filamento central, é bastante
rígido comparado a cabos semelhantes. Isto é visível na montagem de protoboards com fios de ethernet
e jumpers comerciais.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: Substituir o cabo, embora esta seja uma solução mais cara que o desejado. Um
dos possíveis substitutos poderia ser flat cable, ou algum tipo de cabo específico e mais maleável,
porém mais caro.
Impacto Reavaliado: Baixo
Probabilidade Reavaliada: Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
86
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Hélices enroscarem no tether
No da Identificação: 05
Descrição do Risco: Durante a operação, as hélices podem se enroscar no tether ao realizar subidas,
descidas ou outras manobras.
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( x )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Caso as hélices/motores ou o tether sejam danificados, o equipamento pode ser perdido, ou
componentes destruídos
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( x )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Como não se planeja utilizar um sistema de manuseio de tether, em qualquer instante o cabo
pode se enrolar no motor.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: As hélices serão protegidas com escudos e armações que impedem a passagem
do tether (e outros objetos que podem se enroscar nelas). Também podem ser construídas estruturas
rígidas que direcionem a saída do tether.
Impacto Reavaliado: Médio/Baixo
Probabilidade Reavaliada: Médio/Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
87
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: A boia de comunicação pode afundar ou
No da Identificação: 06
inundar
Descrição do Risco: Por algum outro motivo a boia de comunicação foi molhada (chuva, afundou, etc.)
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( x )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Os sistemas eletrônicos presentes na boia de comunicação podem ser danificados caso haja
contato com água.
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( x )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: A boia apenas será molhada (na face que contém o módulo de comunicação) caso chova, a
água esteja muito agitada ou o ROV afunde e puxe a boia junto.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: O ROV será utilizado em águas calmas e o módulo de comunicação será protegido
contra respingos. Como a boia usará apenas um microcontrolador com conexão RF, teremos um kit
reserva em caso de catástrofe, bastando apenas reprogramar o novo microcontrolador.
Impacto Reavaliado: Médio/Baixo
Probabilidade Reavaliada: Médio/Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
88
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Atraso na entrega de componentes
No da Identificação: 07
Descrição do Risco: A entrega de componentes adquiridos pode atrasar, gerando atrasos em outras
etapas do projeto.
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( x )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Uma entrega que atrase pode atrasar todo o cronograma do projeto
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( x )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Experiências anteriores com o sistema de correios e alfândega, principalmente relacionadas
a entregas internacionais demonstram que nem sempre prazos de entrega são cumpridos – e que não
necessariamente são culpa do vendedor.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: Serão utilizados muitos componentes já disponíveis em Curitiba. Além disso, deuse preferência a sistemas eletrônicos da Texas Instruments pelo curto prazo de entrega (cerca de três
dias em Curitiba).
Impacto Reavaliado: Médio/Baixo
Probabilidade Reavaliada: Médio
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
89
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Subestimar a dificuldade de uma tarefa
No da Identificação: 08
Descrição do Risco: Uma tarefa pode mostrar-se mais complexa ou demorada que o inicialmente
previsto
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( x )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Uma tarefa complexa ou demorada demais pode inviabilizar alguma ideia do projeto inicial,
atrasando o cronograma.
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( x )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: O grupo ainda está desenvolvendo habilidades no que diz respeito à definição de tarefas,
cronogramas e outros detalhes do projeto.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: Caso seja detectada uma tarefa muito complexa, membros adicionais da equipe
serão alocados para a conclusão desta tarefa. Além disso, caso uma tarefa seja finalizada antes do
prazo previsto, uma tarefa subsequente será imediatamente alocada aos membros que a finalizaram.
Impacto Reavaliado: Médio/Baixo
Probabilidade Reavaliada: Médio/Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
90
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Os motores não são fortes o bastante
No da Identificação: 09
Descrição do Risco: Os motores podem ser mais fracos que o inicialmente esperado, movendo muito
vagarosamente o ROV
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( x )
Baixo: ( )
Explique: Outras partes do ROV podem ser testadas e analisadas mesmo com os motores fracos para
locomovê-lo.
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( x )
Baixo: ( )
Explique: A equipe leu outros trabalhos semelhantes, que analisam diferentes conjuntos motor-hélice e
a força gerada por estes, dando uma ideia do dimensionamento apropriado do motor.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: Comprar motores mais potentes que o necessário, força a mais não é problema.
Caso os motores inicialmente dimensionados ainda se mostrem fracos demais, deverá ser feita a
aquisição de outros mais potentes, aproveitando a pesquisa feita no ato do dimensionamento. Os
motores usados são equipamentos náuticos bastante comuns, sempre disponíveis em um distribuidor
local, dessa forma não é necessário a compra antecipada por precaução.
Impacto Reavaliado: Baixo
Probabilidade Reavaliada: Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
91
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: A equipe não cumpriu prazos
No da Identificação: 10
Descrição do Risco: Em virtude dos prazos apertados (especialmente devido ao Ciência sem
Fronteiras), membros da equipe podem atrasar a entrega de algumas tarefas.
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( x )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: atrasos podem inviabilizar o projeto, principalmente se afetarem o caminho crítico de tarefas.
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( x )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: outras disciplinas e atividades extracurriculares podem afetar o tempo disponível para as
tarefas designadas a cada integrante.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: Prazos menores dão maior senso de urgência. Concentrar as tarefas antes dos
períodos de provas e/ou copa do mundo.
Impacto Reavaliado: Médio/Baixo
Probabilidade Reavaliada: Médio/Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
92
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Membros da equipe podem viajar para o
No da Identificação: 11
Ciência sem Fronteiras
Descrição do Risco: Ainda não se sabe a data de viagem de um membro da equipe, que pode sair do
país entre agosto e setembro.
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( x )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( x )
Explique: A equipe está ciente deste risco, foi montada com ele em mente e preparou as tarefas
pensando no pior caso (viagem no início de agosto).
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( x )
Baixo: ( )
Explique: É comum aos estudantes CSF viajar entre a metade de agosto e início de setembro, conforme
acompanhado em outros casos.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: O cronograma de atividades do membro em questão será adiantado. Caso falte
alguma tarefa a ser realizada, outros membros irão assumi-la. Porém, tentaremos adiantar o máximo
possível do cronograma durante as férias, afim de que todos trabalhem por igual.
Impacto Reavaliado: Baixo
Probabilidade Reavaliada: Médio/Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
93
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Avaria na estrutura do ROV
No da Identificação: 12
Descrição do Risco: Durante o transporte, manuseio ou teste, a estrutura de PVC que compõe o corpo
do ROV pode ser danificada
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( x )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Caso seja necessário remontar a estrutura inteira, gerando mais gastos e utilizando tempo de
outras tarefas.
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( x )
Baixo: ( )
Explique: A estrutura será manuseada e transportada com cuidado, para não ser danificada. Poderá ser
construída uma estrutura de transporte para o ROV afim de evitar impactos e manuseio inadequado.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: Caso haja alguma avaria na estrutura, esta pode ser consertada sem grandes
dificuldades, visto que o material é barato e facilmente adquirido.
Impacto Reavaliado: Médio
Probabilidade Reavaliada: Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
94
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Problemas nos microcontroladores e/ou
No da Identificação: 13
módulos de comunicação
Descrição do Risco: Podem acontecer falhas ou danos nos sistemas eletrônicos utilizados no projeto,
por diversos motivos.
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( x )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Dependendo do problema causado, tipo de falha ou dano, é possível que o componente deva
ser descartado.
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( x )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Componentes eletrônicos de uso comum não foram projetados para operar em ambientes
úmidos.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: Os membros possuem diversos exemplares dos componentes utilizados no
projeto, que podem ser deixados preparados para eventuais contratempos. Além disso, a aquisição
destes é bastante simples frente a de outros componentes. Caso haja dano a algum microcontrolador
ou módulo de comunicação, já temos outros de reserva, bastando apenas reprogramá-los.
Impacto Reavaliado: Médio/Alto
Probabilidade Reavaliada: Médio/Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
95
Projeto: ROV: veículo submarino operado remotamente
1º Etapa: Identificação do Risco
Denominação do Risco: Problema nos motores ou controladores
No da Identificação: 14
eletrônicos de velocidade.
Descrição do Risco: Pode acontecer algum defeito ou avaria nos elementos de potência do ROV.
2º Etapa: Avaliação do Risco
Impacto:
Alto: ( x )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Os componentes podem ser danificados impedindo reparos, ou em situações onde o ROV
inteiro pode ser perdido.
Probabilidade:
Alto: ( )
Médio/Alto: ( )
Médio: ( x )
Médio/Baixo: ( )
Baixo: ( )
Explique: Embora os motores adquiridos sejam específicos para operação submersa, os controladores
de velocidade não, podendo ser danificados com muita facilidade.
3º Etapa: Resposta ao Risco
Estratégias e Ações: Os componentes defeituosos serão substituídos por sobressalentes. Proteger os
controladores de velocidade, que não são a prova d’água, individualmente, além da cápsula do ROV,
garantindo assim um dupla proteção para esses controladores. No pior caso, os componentes
eletrônicos podem ser facilmente adquiridos no comércio local, sendo desnecessária a compra
antecipada apenas por precaução.
Impacto Reavaliado: Médio/Alto
Probabilidade Reavaliada: Médio/Baixo
Elaborado por: André, Arthur, Bruno, Paulo e
Data: 04/05/2014
Renan
96
APÊNDICE C – CÓDIGO FONTE: ESTAÇÃO BASE
Disponível em: http://pastebin.com/gjHfbxC7
APÊNDICE D – CÓDIGO FONTE: BOIA
Disponível em: http://pastebin.com/GaqpP
APÊNDICE E – CÓDIGO FONTE: CÁPSULA
Disponível em: http://pastebin.com/WdNGVszs