Projeto e Desenvolvimento de um Veículo Submarino Autónomo

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Projeto e Desenvolvimento de um Veículo Submarino Autónomo Carlos Filipe Silva Gonçalves Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Aníbal Castilho Coimbra de Matos Co-orientador: Bruno Miguel Mateus Ferreira 27 de Julho de 2016 c Carlos Gonçalves, 2016 Resumo Esta dissertação pretende descrever o projeto e desenvolvimento de um novo veículo submarino autónomo, em inglês Autonomous Underwater Vehicle (AUV). O conceito deste AUV é um veículo capaz de navegar em locais desafiantes. O seu tamanho, peso e manobrabilidade são os seus pontos fortes. Do trabalho que tem vindo a ser desenvolvido na área da robótica submarina, surgiu a necessidade de conceber um AUV com características específicas para navegação em limitados volumes de água. Nomeadamente em rios, lagos, estruturas aquáticas e tanques de testes de reduzidas dimensões. Faz todo sentido, então, desenvolver um AUV de pequenas dimensões como o que se desenvolveu: o SHAD (Small Hovering AUV with Differential actuation), projetado para ter capacidade de estabilizar na coluna de água e ser facilmente reconfigurado e expansível. O projeto e implementação do SHAD resultou da integração de diversos módulos e componentes já desenvolvidos pelo INESC TEC graças à sua experiência em projeto e desenvolvimento de robôs, de outras estruturas mecânicas e de eletrónica juntamente com software desenvolvidos ao longo do trabalho da dissertação. O SHAD foi concebido tanto para operar em ambientes interiores como exteriores. Além da capacidade de navegar em pequenos espaços subaquáticos foi pensado para facilitar questões logísticas. A sua forma de torpedo juntamente com um diâmetro de 0,12 m, comprimento 0,90 m e peso 6,0 kg são vantajosos para poder ser transportado facilmente por um só operador e em um automóvel. A sua geometria, peso e capacidades de atuação conferem ao SHAD uma grande manobrabilidade, característica importante na circunstância de pequenos volumes. Ao longo deste documento serão apresentados detalhes sobre o projeto e construção do SHAD e serão mostrados resultados experimentais de testes a sensores e atuadores, bem como de testes à navegação do veículo. i ii Abstract This dissertation presents the design and development of a new AUV, wich stands for Autonomous Underwater Vehicle. This AUV was conceptually designed to navigate in challenging volumes. The size, the weight and the maneuverability of this AUV were among the most important features. From several applications in the domain of underwater robotics, emerged the need to design an AUV with specific characteristics enabling navigation in constrained volumes of water. Some examples include rivers, lakes, offshore structures or tests tank with small dimensions. To address those challenges, a new small-sized AUV has been developed: SHAD (Small Hovering AUV with Differential actuation). It was designed with hovering capabilities and can be easily reconfigured. The design and implementation of the SHAD AUV resulted from the integration of several modules and components previously developed, based on the experience of INESC TEC in robots design and development, and from the development of other mechanical structures, electronics and software during the dissertation work. The SHAD was designed so that it could operate both in indoor and outdoor environments. Further to the capability to navigate in constrained volumes of water, SHAD’s design was thought with logistics concerns in mind. Its torpedo shaped body, with 0,12 m of diameter and 0,90 m of length, combined with 6,0 kg of weight are advantageous, as it is man portable, easily transportable and simplify logistics support. The combined geometry, weight and actuation capabilities provide high maneuverability to SHAD, which is of special importance in small volumes. This dissertation will detail the design and the development of SHAD and will present experimental results from sensors and actuators testing as well as vehicle navigation. iii iv Agradecimentos Quero agradecer aos meus orientadores. Ao Bruno pela sua disponibilidade, paciência e vontade que eu realizasse um bom trabalho. Ao Prof. Aníbal pelo seu apoio e interesse demonstrados e por sempre terem acreditado no nosso sucesso. À minha esposa Carolina, pelo incentivo e por nunca ter deixado que eu baixasse os braços. Agradeço também aos meus Pais pela motivação e apoio dados. Carlos v vi “Valeu a pena? Tudo vale a pena Se a alma não é pequena. Quem quer passar além do Bojador Tem que passar além da dor. Deus ao mar o perigo e o abismo deu, Mas nele é que espelhou o céu.” Fernando Pessoa vii xiv LISTA DE TABELAS Abreviaturas e Símbolos ADC conversor analógico-digital AHRS attitude and heading reference system AmpOp amplificador operacional ASV autonomous surface vehicle AUV autonomous underwater vehicle CAD computer aided design CAM computer aided manufacturing CC corrente contínua CNC computerized numerical control DVL Doppler velocity log EKF extended Kalman filter ESC electronic speed control GUI graphical user interface GPS global positioning system IMU inertial measurement unit LBL long baseline Li-ion ião lítio Li-po polímero de lítio MEMS microelectromechanical systems NIB navigation and instrumentation buoys OS sistema operativo PC computador pessoal PCB placa de circuito impresso POM polioximetileno (poliacetal) xv xvi ABREVIATURAS E SÍMBOLOS Rock robot construction kit ROS robot operating system ROV remotely operated vehicle SHAD Small Hovering Auv with Differential actuation UDP user datagram protocol USBL ultra-short baseline WLAN wireless local area network Capítulo 1 Introdução 1.1 Exposição do Trabalho e Motivação Este trabalho foi desenvolvido no âmbito da atividade de investigação feita no Ocean Systems Group do Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores – Tecnologia e Ciência (INESC TEC). Este grupo dedica-se ao projeto, desenvolvimento e operação de sistemas robóticos e possui já um vasto e sólido trabalho realizado no âmbito da robótica submarina. Nomeadamente, detém soluções inteiramente desenvolvidas pelo grupo tais como veículos autónomos submarinos e veículos autónomos de superfície. Derivado desta experiência e da necessidade de novos métodos e práticas de desenvolvimento, surge a vontade de construir um novo robô submarino. Este será diferente dos já concebidos no que diz respeito ao tamanho, ao peso e ao custo. Sendo então uma solução extremamente portável e com uma grande manobrabilidade, adequada a pequenos espaços subaquáticos. O desafio deste trabalho é então projetar, desenvolver e testar um veículo submarino autónomo desta natureza. 1.2 Contextualização e Resumo do Desenvolvimento Os oceanos, lagos e outros meios subaquáticos são lugares dos quais o Homem precisa ter maior conhecimento. Por serem inóspitos, de difícil e perigoso acesso, há ainda hoje um profundo desconhecimento nesta área. Por outro lado sabe-se que são valiosos recursos que é preciso preservar. Há também diversas atividades científicas, comerciais e logísticas relacionadas com estes meios e tal como em outras áreas, a tendência da evolução é no sentido de se utilizar automação e robótica para auxiliar em tarefas dedicadas a estas áreas. Principalmente em tarefas perigosas, de elevado esforço ou até impossíveis do ponto de vista humano. É aqui que entram os veículos submarinos robóticos, dos quais existe já uma vasta gama de exemplos e uma forte expansão e desenvolvimento. 1 2Introdução O trabalho realizado ao longo desta dissertação começa a enquadrar-se então na perspetiva descrita anteriormente, sendo que se pretendeu projetar e desenvolver um veículo submarino autónomo, conhecido em inglês como autonomous underwater vehicle (AUV). Não apenas mais um AUV, mas um que preenchesse certos requisitos ainda por preencher pelos demais, principalmente os já existentes no laboratório onde decorre o trabalho. Os principais requisitos que este projeto pretende satisfazer são: disponibilizar um sistema de baixo custo, de reduzidas dimensões e baixo peso. A nível técnico seria de intervenção fácil no que diz respeito a aspetos como expansão, interação e manutenção. Seria vocacionado para testes e operações reais em reduzidos volumes de água, como um tanque de testes, estruturas subaquáticas confinadas a pequenos espaços e em pequenos rios ou lagos. Para levar a bom porto o trabalho, decidiu-se então dividi-lo em etapas comuns ao desenvolvimento de sistemas. Essas subdivisões estão espelhadas na organização deste documento. De referir ainda que houve componentes do trabalho relacionadas com organização e gestão de projeto. Ao nível de comunicação entre os envolvidos, através de reuniões e trocas de emails para discussão de ideias, sugestões, trabalho feito e a se fazer. Ao nível da organização, através de plataformas colaborativas para compartilhar dados e progressos, e diagrama de Gantt interativo para planear tarefas e visualização por todos do estado geral do desenvolvimento. 1.3 Estrutura da Dissertação A organização do documento procura refletir a organização do trabalho realizado. Assim depois da introdução vem uma análise do estado da arte no mundo da robótica submarina, mais focado nos AUV, um levantamento de exemplos, tecnologias utilizadas e aplicações destes. Depois segue-se uma descrição do conceito do AUV que se pretende desenvolver e quais os requisitos a cumprir. Segue-se a especificação e desenvolvimento do projeto, com a discriminação detalhada dos componentes integrados e descrição das tarefas que decorreram do desenvolvimento de subsistemas. Por fim são descritos os testes elaborados, mostrados os resultados dos mesmos e termina através de um capítulo com algumas conclusões retiradas do trabalho desenvolvido. Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 2.1 Introdução A tecnologia dos veículos submarinos autónomos (comummente conhecidos por autonomous underwater vehicle, em inglês, ou pelo respetivo acrónimo AUV), tal como a robótica em geral, encontra-se nos dias de hoje em estado de desenvolvimento com considerável avanço. Exemplo disso são os vários exemplos de veículos já desenvolvidos. Eles provêm das mais variadíssimas áreas, desde a científica à comercial, passando pela área militar. Estes sistemas beneficiam também do advento das novas tecnologias no campo dos materiais, técnicas de fabrico, sistemas computacionais, atuadores, sensores, redes de comunicação, sistemas de navegação, localização e todo o desenvolvimento geral no contexto dos últimos anos. Fazendo uma análise do estado da arte no campo da robótica submarina, predominantemente voltada para os AUV, encontram-se diversos modelos construídos, normalmente associados às entidades que lhe deram origem, com diferentes características estruturais, aplicações e tecnologias empregues. É sobre estes assuntos que o presente capítulo se irá debruçar, procurando abranger os vários temas relacionados com o desenvolvimento de robôs submarinos, nomeadamente AUV. Ao longo desta abordagem serão mencionados e descritos os elementos fundamentais que constituem um AUV. Quando um veículo utiliza especificamente uma dada tecnologia em discussão, será dado esse AUV como exemplo concreto. Em anexo está presente uma relação de AUV (ver A.1), elaborada com a comparação das principais características dos mesmos. Através da descrição e comparação dessas características predominantes, pretende-se tomar conhecimento do estado da arte no que respeita ao projeto e desenvolvimento de um AUV, o título desta dissertação. 2.2 Exemplos de AUV Um AUV é um robô submarino concebido para executar missões sem o comando humano, não possuindo então uma ligação com o seu operador [2]. É controlado sim, por um computador préprogramado e tem incorporados os instrumentos e a energia necessária para no final se conduzir a si mesmo. Numa grande parte dos AUV, o movimento longitudinal é essencial para permitir o 3 4Revisão Bibliográfica mergulho. Outros, do tipo hovering, submergem na vertical e conseguem pairar na água. Existem ainda os gliders que modificam a sua flutuação para se mover para baixo e para cima. Enquanto os dois primeiros utilizam motores propulsores, os gliders não, o que lhes permite uma maior e grande autonomia devido à grande fatia da energia despendida pelos anteriores veículos na atuação de motores. Possuem ainda variadíssimos dispositivos, como sensores, câmaras de vídeo, dispositivos de recolha de amostras e acústicos para realizarem um grande leque de tarefas do tipo mapeamento/batimetria, inspeção, académicas, análises e I&D em geral. Ao longo deste e dos próximos capítulos serão apresentados os elementos desta solução com substancial detalhe. Na Tabela A.1 do Anexo Aé feito um levantamento de AUV segundo o critério de pertencerem aos catalogados com chavões tais como man-portable, compactos, grande manobrabilidade, modulares, hovering e preferência pelos open. Outros mais diversos AUV surgiram ao longo da pesquisa, alguns exemplos aos quais não foi dada tanta relevância são: Hugin, Munin, Trimares, Girona 500, Virginia Tech 690, MONSUN II, Folaga, Gavia, Remus 600 e Mola Mola. Existem ainda alguns modelos que são híbridos, AUV eremotely operated vehicle (ROV), como por exemplo o P-SURO II [3]. 2.3 Elementos Constituintes 2.3.1 Estrutura Mecânica A estrutura mecânica dos AUV pode ser dividida em parte externa e parte interna. Na parte interna são colocados os componentes secos, ou seja, que não podem estar em contacto com água. À parte externa, em contacto com a água, são fixados componentes como propulsores e sensores e outros dispositivos que necessariamente precisam estar na parte molhada. Pode esta estrutura dar o acabamento final da forma ou ser montada ainda por cima algum tipo de carnagem ou invólucro que confere ao veículo a sua forma hidrodinâmica. As formas mais comuns são cilíndricas e elipsoidais, lembrando a forma comum dos torpedos, mas há outras formas menos alongadas, mais espalmadas e num formato a tender para um paralelepípedo. Sempre, claro, com preocupações ao nível da hidrodinâmica, para maximizar eficiência e minimizar atritos. A parte interior costuma, de alguma forma, ser um compartimento estanque, por exemplo um pressure hull cilíndrico em alumínio, onde no seu interior a estrutura desenvolve-se em torno da alocação de componentes elétricos e de energia. Em termos de materiais, são muito utilizados o alumínio, plásticos especiais e até compósito flutuante de titânio, no caso do FlatFish [4], para criar robustez mecânica sem que a estrutura seja demasiado pesada. São usados plásticos técnicos para construir peças complementares e plásticos correntes (PVC, acrílicos) ou fibras (de vidro) para peças de acabamento, como por exemplo a já referida cobertura ou revestimento exterior. 2.3 Elementos Constituintes 5 Em determinadas alturas é necessário modificar a flutuação do veículo. Para aumentar a força de impulsão, são adicionadas peças flutuantes, fabricadas em espumas sólidas, de baixa densidade e impermeáveis, que são facilmente maquinadas com a forma pretendida. Para diminuir a flutuação, são acrescentadas peças constituídas por materiais densos, que tornam o veículo mais pesado, sem alterar significativamente o seu volume. Existe sempre, também, uma parte da estrutura responsável por fazer a mediação entre a parte exterior, molhada, e a interior impermeável. Para este fim podem ser usados conectores subaquáticos ou passagens impermeáveis, por exemplo, bucins. Maioritariamente, quando se projeta e desenvolve um robô submarino em geral, as preocupações mecânicas são [5]: 1. Reduzir o volume em geral 2. Reduzir e distribuir o peso 3. Suportar determinadas profundidades sujeitas à pressão 4. Evitar danos por rotura de permeabilidade 5. Restrições de fabrico 6. Agilização de montagem, logística operacional e manutenção. Devido a várias vezes haver necessidade de se reconfigurar o veículo, conforme as condições e o tipo da aplicação, há também a intenção de que sejam modulares ou de alguma forma extensíveis, para facilmente serem adaptados e reutilizados. Em determinadas missões, além da pressão exercida pela água, impactos acidentais ou naturalmente com vegetação e outros corpos estranhos, a estrutura mecânica tem que enfrentar mais condições extremas, tal como é evidente na Figura 2.1 que a do AUV Remus 100 suportou [6]. Figura 2.1: Ataque de tubarão branco ao Remus 100 6Revisão Bibliográfica 2.3.2 Sistemas de Energia Tal como outros veículos, os AUV necessitam de energia para funcionar. Em todos os casos estudados essa energia provem de baterias ião lítio (Li-ion). O seu generalizado uso em sistemas, custo, durabilidade e densidade de energia (capacidade/kg) fazem delas a fonte de energia elétrica eleita. Têm cada vez mais autonomia e são facilmente substituídas. Existem, no entanto, sugestões de utilização de fuel cells [2]. Para carregar as baterias normalmente os AUV têm que vir à superfície e através de um cabo recebem a energia necessária ao seu carregamento. Existe também o conceito e projetos em desenvolvimento a fim de se possibilitar o fornecimento de energia em estações subaquáticas (docking station) através de ligação sem fios. Há ainda veículos com painéis solares que sobem à tona de água e carregam as suas baterias através de energia solar [7]. Associado ao carregamento de baterias vêm normalmente circuitos de controlo e segurança responsáveis por garantir a perseverança e o bom funcionamento das mesmas. As baterias têm um peso considerável face aos restantes componentes alocados no compartimento impermeável. Por vezes, este fator é aproveitado para afastar o centro de massa do AUV do centro geométrico, colocando as baterias na parte mais inferior do compartimento. 2.3.3 Sistemas Computacionais Com o advento das novas tecnologias em sistemas de computação, surgem computadores cada vez mais potentes, eficientes e compactos, alguns designados sistemas embebidos. A sua integração nos AUV, que anteriormente não era possível simplesmente por restrições de volume, é agora permitida devido ao seu diminuto peso, volume e baixo consumo de energia. Um formato standard utilizado hoje em dia em AUV é o PC104. É utilizado no Mares e nos seguintes veículos são usadas as respetivas configurações: •O Sparus II usa um computador PCIe/104, Intel Core i7 2.20GHz Dual Core, 4M Smart Cache, 4GB DDR3 DRAM, 250GB SSD, 8 USB, 10 RS232; •O Nessie VI usa dois PCs MSM2000 PC104, Intel Atom Processor, 1.66GHz, 1GB RAM, 4 USB 2.0 port, 4 serial ports; Em termos de arquitetura do sistema computacional são utilizados frequentemente (por exemplo no FlatFish [4] e no Nessie VI [8]) dois computadores, em que um é dedicado ao controlo de baixo nível, navegação e gestão de missão. O segundo é responsável pelo sistema de payload, câmaras de vídeo por exemplo. Em cada computador pessoal (PC) posteriormente é instalado software sistema operativo (OS) generalizado, como distribuições de Linux, software dedicado à robótica, como robot operating system (ROS) e robot construction kit (Rock) e são elaborados programas em linguagens como C++ para criar, por exemplo, devices drivers. Alguns AUV comerciais vêm com uma graphical user interface (GUI) com o intuito de simplificar tarefas de manutenção, planeamento de missão, 2.3 Elementos Constituintes 7 verificação e análise de dados. É o caso do Remus 100. Por outro lado torna o sistema mais fechado e proprietário. 2.3.4 Sistemas de Atuação Para que os AUV se possam mover no meio aquático, necessitam de dispositivos que lhe confiram força de propulsão. Conforme as direções possíveis de força de propulsão, o robô é dotado de mais ou menos graus de liberdade. Segundo [9], nos modelos para veículos marinhos são estudados seis graus de liberdade, sendo necessárias seis coordenadas independentes para determinar a posição e orientação destes. São elas, três de translação (surge, sway, heave) e três de rotação (roll, pitch, yaw). Os propulsores mais utilizados são os thrusters, compostos normalmente por um motor corrente contínua (CC) sem escovas, uma hélice com duas ou mais pás e um ducto em volta desta que a protege e protege dela, ao mesmo tempo que direciona o fluxo de água para maximizar a força exercida na direção de interesse. No caso do Sparus II, para controlar pitch são usadas barbatanas direcionáveis através de servomotores [10]. Também são usadas barbatanas sem atuação para estabilizar e definir o movimento do veículo. Em seguida apresentam-se alguns exemplos de thrusters: •SeaBotixTMHPDC1502 brushless thrusters, 280 W, controlados por H-Bridges, com compensação de pressão e possibilidade de descer a mais de 1000m de profundidade; •SeaBotixTMBTD150 brushed thrusters,100W, 20 N forward thrust and up to 20 N reverse thrust and rated to 150 m depth; •Enitech ring thrusters, 60 N De referir também que estes thrusters são mais eficientes num sentido e permitem aos AUV atingirem velocidades na ordem dos 0 a 2 m/s para o Mares e Sparus II, 0 a 2,6 m/s para o Remus 100. Estes valores são fortemente condicionados pela configuração e payload do veículo. 2.3.5 Sensores/Payload São os sensores e os dispositivos adicionais, payload (que podem também ser sensores), possíveis de integrar nos AUV, que os tornam extremamente úteis. Para além de auxiliarem na navegação e localização permitem que estes levem a cabo variadíssimas tarefas subaquáticas, como se descreve em 2.4. O payload pode ser configurado conforme a exigência de determinada missão. Os sensores mais usados são sensor de pressão, comum a todos os AUV, que permitem medir a profundidade a que estes se encontram, sensores de navegação inerciais, que podem ser do tipo inertial measurement unit (IMU) ou mais elaborados como os attitude and heading reference system (AHRS). São também utilizados Doppler velocity log (DVL) juntamente com os inerciais. No caso do FlatFish é empregado como inercial um KVH 1750 IMU e como DVL um Rowe SeaProfiler DualFrequency 300/1200kHz. Dentro da tecnologia acústica são utilizados também sistemas 14 Requisitos e Conceito O novo AUV deve possibilitar também a importação de desenvolvimentos associados a outros veículos do laboratório, facilitando a portabilidade de software ao nível da navegação e controlo, por exemplo. Na Figura 3.1 está representado o conceito da arquitetura geral do sistema. Engloba três grandes partes: o compartimento impermeável, o exterior em contacto com a água e a mediação dos dois. Os constituintes de cada ramo são os comuns ao desenvolvimento de robôs e alguns dedicados a robôs submarinos, por exemplo, o sensor de pressão. 3.4 Limitações Os modelos pesquisados têm dimensões e características que os impossibilitam de operar em ambientes interiores (estruturas, tanques de teste) e exteriores (estruturados, naturais) confinados por reduzidos volumes. O seu peso é também considerável para serem facilmente transportados por um operador e estão vocacionados para manobras e missões em grandes volumes de água. Nem todos os AUV pesquisados e citados são comercias, no entanto sabe-se que qualquer Remus custa várias dezenas de milhares de euros. São, então, caros para serem adquiridos ou construídos mediante modestos orçamentos e de certa forma condicionados a arquiteturas e subsistemas proprietários, o que por vezes dificulta a incorporação de novos devices [5]. A informação sobre o custo de um AUV foi obtida de forma qualitativa (muito caros!) por sondagem e interrogação a profissionais com experiência neste mercado. A sua construção tem de igual forma um custo elevado e nem sempre se reúnem as condições necessárias ou suficientes para o fazer. 3.5 Conclusões Existe uma considerável oferta de AUV. No entanto, não se encontrou um que cumpra com os requisitos imposto para o sistema pretendido. Neste caso, essencialmente, pretende-se um veículo de reduzidas dimensões e peso para dispor de fácil portabilidade, menor consumo, facilidade de operação, manutenção/intervenção técnica, extensão e baixo custo. Ao mesmo tempo é crucial incidir nos pontos críticos desta tecnologia, a fim de conceber um veículo robusto e fidedigno. Pontos esses que passam por lidar com a pressão e com o meio subaquático em geral. Juntamente com todas as questões técnicas e de conceito pretende-se então desenvolver um AUV para complementar a oferta já existente, principalmente no nosso laboratório. Capítulo 4 Especificação e Desenvolvimento Neste capítulo vai-se proceder à apresentação de especificações relativas às partes constituintes do AUV, bem como se irá expor de forma pormenorizada a concretização do desenvolvimento dessas mesmas partes. Serão abordadas, com detalhe, questões técnicas acerca das características e da construção dos componentes selecionados para o desenvolvimento do projeto. Na mesma vertente técnica vão-se demonstrar procedimentos de projeto, fabrico e construção do protótipo. Depois de definido o conceito procede-se ao desenvolvimento do mesmo. Para isso são utilizadas ferramentas de computer aided design (CAD)/computer aided manufacturing (CAM) que permitem obter um modelo geral do veículo, onde figuram todas as peças mecânicas do mesmo. A partir desses desenhos é possível gerar código G para posterior fabrico em máquinas computerized numerical control (CNC). Neste projeto foram utilizadas duas destas máquinas: uma fresadora e um torno. Foi também utilizada uma impressora 3D para fabrico de algumas peças em plástico. Figura 4.1: Projeção superior do AUV 15 16 Especificação e Desenvolvimento Figura 4.2: Projeção frontal do AUV Nas Figuras 4.1 e4.2 esquematizam-se os diferentes constituintes do AUV. As medidas estão em metros e a legenda das principais partes é a seguinte: 1. Cilindro central 2. Endcaps 3. Suportes estruturais 4. Módulos propulsores verticais 5. Nariz 6. Motores horizontais 7. Sensor de pressão 8. Ficha de carregamento de baterias. 4.1 Estrutura Mecânica Descrevem-se agora os componentes enumerados acima. 4.1.1 Cilindro Central O compartimento cilindro central tem como principal função criar um volume estanque, onde se alojam todas as partes que necessariamente não podem entrar em contacto com a água. Originando o chamado compartimento seco que é envolvido por um cilindro, em acrílico transparente, com as seguintes dimensões: 0,120 m de diâmetro exterior, 0,114 m de diâmetro interior e 0,400 m de comprimento. É no seu interior que se encontram os componentes eletrónicos e baterias. Dentro deste cilindro cresce uma estrutura constituída por frames de alumínio, acrílico e plástico com pouco atrito, pois é neste que são maquinados (ver Figura 4.3) os topos da estrutura e estes deslizam ao longo do interior do cilindro central, de acrílico. Estas peças juntas formam uma estrutura 4.1 Estrutura Mecânica 17 fixa a só um dos endcaps para permitir a abertura e fecho do cilindro. Retirando esse endcap, a estrutura vem juntamente. O mesmo se passa quando montado, em que se empurra toda a estrutura que suporta a eletrónica e baterias ao longo do interior do cilindro, apoiando no endcap. Na Figura 4.4 está representado esse conjunto de componentes. Figura 4.3: Simulação de fresagem e modelo CAD 2D dos topos da estrutura interna do cilindro central Figura 4.4: Estrutura central com eletrónica e baterias 4.1.2 Endcaps Os endcaps são duas peças de revolução feitas em plástico polioximetileno (poliacetal) (POM) que servem para fechar o interior do cilindro central e torná-lo estanque. É também através destas peças que se medeiam o compartimento seco e o exterior molhado do veículo. A estas peças são apertados bucins que, através de vedantes, permitem passar cabos para o exterior do cilindro central de forma estanque. Nestas peças encontram-se também pontos de fixação dos módulos localizados na secção seca, maioritariamente módulos eletrónicos e baterias. 18 Especificação e Desenvolvimento (a) Endcap com o-rings de estanquicidade e sem bucins (b) Endcap com bucins Figura 4.5: Tampas endcaps Foram fabricadas num torno CNC com o apoio de ferramenta computacional CAD/CAM. Uma imagem ilustrativa da simulação de maquinação da reentrância para o-ring pode ser observada na Figura 4.6. Figura 4.6: Simulação em ferramenta computacional CAD/CAM de operação em torno 4.1.3 Suportes Estruturais Estes suportes estruturais são peças também de revolução mas com algum acabamento linear, no mesmo plástico POM e apertadas através de parafusos uma a cada endcap. Têm como função fixar os restantes módulos ao cilindro central. Em umas ranhuras laterais interiores apoiam-se 4.1 Estrutura Mecânica 19 perfis quadrados, tal como apresentado na Figura 4.7. Por sua vez, estes servem de suporte aos restantes módulos e respetivas peças/partes. Exemplos desses perfis em alumínio podem ser vistos na Figura 4.15. Figura 4.7: Suporte estrutural: realce da furação de fixação ao endcap e ranhuras de encaixe das frames Estes suportes foram fabricados recorrendo a operações tanto na fresadora como no torno CNC, para assim se agilizar o fabrico. Mais uma vez recorrendo a software CAD/CAM elaboraramse os ficheiros de código para posteriormente programar as CNC. Uma ilustração do ambiente gráfico deste tipo de software está representado na Figura 4.8. Figura 4.8: Exemplo de modelo 3D CAD de um suporte estrutural 20 Especificação e Desenvolvimento 4.1.4 Estrutura em Geral A estrutura geral é formada pelos componentes já descritos juntamente com duas frames técnicas de perfil quadrado, com 0,01 m x 0,01 m x 0,60m, colocadas lateralmente e em paralelo com as peças anteriores encaixadas. São fixas aos suportes estruturais por umas peças menores, servem para tornar a estrutura geral (cilindro central mais endcaps mais suportes estruturais) resistente e com restrição de movimento longitudinal (importante para o cilindro central não se abrir). Dá ainda bastante restrição rotacional, juntamente com o próprio atrito dos o-rings dos endcaps e de mais dois tirantes em alumínio que também são montados na mesma direção, mas rodados 90◦. Nas referidas frames apoiam-se os dois motores horizontais, permitindo também a variação da posição destes ao longo do seu comprimento. 4.1.5 Design do Nariz e da Cauda Dada a forma de torpedo do AUV, este tipo é geralmente cilíndrico na maioria do seu comprimento e os topos são fechados com peças das mais variadas formas, por exemplo, achatada, cónica, esférica, parabólica e combinações destas. Com estas formas pretende-se o menor atrito viscoso possível para aumentar a eficiência do veículo quando se move. Para o projeto foi decidido usar peças com geometria baseada na curva de Von Karman Ogive. Esta curva não é uma forma geométrica comum mas provém de formulação matemática, nomeadamente da série de Haack, com o intuito de minimizar o atrito viscoso [12]. As equações que definem a série são as seguintes: Figura 4.9: Dimensões da forma do nariz e cauda θ=cos−1(1−2x L)(4.1) y=R √πrθ−sin(2θ) 2+Csin3θ(4.2) 4.1 Estrutura Mecânica 21 Cada valor de Cna equação 4.2 corresponde a uma curva diferente. A C=1/3, LV-Haack, corresponde uma minimização do atrito para um determinado comprimento e volume . Por sua vez, quando C=0, LD-Haack, tem-se um atrito mínimo para um determinado comprimento e diâmetro e é com este valor que a curva é conhecida por Von Karman Ogive. Este valor de C é interessante para o projeto das peças em questão, já que se pretende fixar o diâmetro e variar o cumprimento das peças (mínimo) conforme seja o nariz, mais curto, ou a cauda, mais longa. Dimensionaram-se as peças conforme a Figura 4.10, sendo que o nariz, a menos do encaixe, tem o comprimento igual ao raio. A cauda tem o comprimento maior devido a ser necessário alocar no seu interior o sensor de pressão, a ficha de carregamento de baterias e também por questões hidrodinâmicas (a forma em gota). 0,0700 DWG NO. SCALE:1:2 SHEET 1 OF 1 A3 WEIGHT: 8 7 A B 23456 1 578 246 13 E D C F F D B A E C DRA W N TITLE: REVISION DO NOT SCALE DRAWING MATERIAL: DATE CHK'D APPV'D LINEAR: MFG Q.A ANGULAR: FINISH: TOLERANCES: EDGES NAME SIGNATURE UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: DEBURR AND BREAK SHARP nariz_1 0,1200 R0,0568 You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com) (a) Nariz 0,1020 0,1200 R0,0569 SHEET 1 OF 1 A3 WEIGHT: 8 7 A B 23456 1 578 246 13 E D C F F D B A E C DRA W N CHK'D APPV'D SCALE:1:2 DWG NO. TITLE: REVISION DO NOT SCALE DRAWING MFG Q.A LINEAR: ANGULAR: FINISH: TOLERANCES: EDGES NAME SIGNATURE DATE MATERIAL: UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: DEBURR AND BREAK SHARP nariz_ficha_carrega_1 You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com) (b) Cauda Figura 4.10: Dimensões das peças nariz e cauda C D E B F A 23 14 C F E A B D 2 14 3 DRAWN CHK'D APPV'D MFG Q.A UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: FINISH: DEBURR AND BREAK SHARP EDGES NAME SIGNATURE DATE MATERIAL: DO NOT SCALE DRAWING REVISION TITLE: DWG NO. SCALE:1:1 SHEET 1 OF 1 A4 WEIGHT: cauda_assem Figura 4.11: Peças impressas para o suporte da ficha de carregamento Depois de dimensionadas e de feito o CAD, estas peças foram impressas numa impressora 3D. O corpo da ficha de carregamento de baterias provém de uma solução comercial impermeável, as Bulgin 400 Series Buccaneer R (ver Figura 4.12), em que a impermeabilidade é garantida pelo fabricante quando fichas macho e fêmea estão ligadas. Ora, não se pretende carregar as baterias com o veículo submerso, mas sim garantir que quando a ficha não está ligada e o AUV em operação, não há infiltrações de água. Para isso, o que se fez foi encher com resina de epóxi uma ficha fêmea e fazer esta servir de tampa para vedação da ficha macho que serve de terminal de 22 Especificação e Desenvolvimento carregamento. Posteriormente, foram impressas também outras peças (ver Figura 4.11) e coladas ao corpo da ficha fêmea para finalizar um encaixe/suporte rápido de todo o conjunto. Figura 4.12: Fichas aplicadas em cabo para carregamento de baterias 4.2 Atuadores, Sensores e Eletrónica Nesta secção vai-se proceder à descrição geral dos componentes elétricos e eletrónicos do AUV (Figura 4.13), detalhes técnicos tais como esquemas de circuitos e aspetos inerentes à sua construção. Serão também apresentadas imagens ilustrativas dos mesmos. Atuadores Horizontais Módulos Propulsores Verticais Sensor de Pressão EchoSounder Figura 4.13: Disposição do sistema elétrico 4.2 Atuadores, Sensores e Eletrónica 23 4.2.1 Motores Propulsores (a) Detalhe dos furos de fixação (b) Conjunto: ducto, motor e hélice Figura 4.14: Thrusters originais São utilizados dois thrusters na configuração original, isto é, o motor, a hélice e o ducto conforme são comercializados (ver Figura 4.14), para atuação na direção horizontal. Outros dois thrusters são usados para atuação na direção vertical, mas apenas os motores e as hélices originais, para integrar os módulos descritos em 4.2.2. São motores tipo brushless, de baixo custo, próprios para integrar em robôs marítimos e com as características da Tabela 4.1. Tabela 4.1: Características dos motores de propulsão Máx. força de propulsão no sentido mais eficiente 23 N Máx. força de propulsão no sentido menos eficiente 18 N Mín. força de propulsão 0,1 N Tensão de operação 6 a 16 V Corrente máx. 12,5 A Potência máx. 135 W 4.2.2 Módulos Propulsores Verticais O veículo possui dois destes módulos, ver Figura 4.15 . Cada um é constituído por um motor elétrico brushless com uma hélice acoplada ao veio e colocados no interior de um ducto. Estes ductos foram desenvolvidos recorrendo a ferramenta CAD, impressos na impressora 3D e a furação para passagem do cabo de alimentação e fixação do motor foram feitas manualmente. O conjunto motor mais ducto, por sua vez, encontra-se envolto por um cilindro de acrílico transparente, semelhante ao usado como cilindro central, mas mais curto, e com duas aberturas laterais por onde circula o fluxo de água. Estas aberturas foram maquinadas na fresadora CNC. Uma ilustração dos constituintes de um destes módulos desmontado pode ser visualizada na Figura 4.16. 30 Especificação e Desenvolvimento •Interação com sensor de pressão - A função deste circuito elétrico é obter informação do sensor de pressão num formato próprio para ser transmitida ao computador central. Esta placa foi totalmente desenvolvida ao logo da dissertação e os procedimentos encontram-se em 4.2.9. Figura 4.25: Placa de interação com sensor de pressão •Drivers de motores - Os drivers dos motores são pequenos controladores de velocidade para motores brushless, também designados por electronic speed control (ESC), utilizados para comandar os motores do veículo. São portanto necessários quatro, um para cada motor, e permitem controlar velocidade nos dois sentidos. Caracterizam-se por possuírem funções de segurança em caso de baixa tensão, sobreaquecimento, perda de sinal de comando, proteção de arranque e auto verificação. Têm uma excelente performance no arranque e respondem de forma rápida e linear aos comandos recebidos. São de fácil configuração e automaticamente detetam o ponto neutro de comandos, mas permitem também ajustar a gama neutra. Seu peso é de 0,051kg, a tensão de alimentação pode variar entre 5 e 13 V e podem fornecer até 30 A de corrente CC. Figura 4.26: Exemplo de driver de um motor 4.2 Atuadores, Sensores e Eletrónica 31 4.2.8 Desenvolvimento do módulo driver de motores Para desenvolver e produzir o módulo final, começa-se por definir os componentes que deverão integrá-lo. Dado que o AUV terá quatro motores propulsores torna-se necessário incorporar quatro dos já referidos ESC (ver Figura 4.26) para comandar cada motor. A forma como se enviam os comandos, provenientes do computador central, a cada ESC passa por centralizar mensagens numa PCB (já desenvolvida, apenas foi integrada), que também será instalada no módulo. Por sua vez, esta, através de uma camada de software programada num microcontrolador, descodificam-se as mensagens e encaminham-se os comandos ao respetivo ESC. Esta placa possui também sensores que permitem medir a corrente elétrica fornecida a cada ESC. A estrutura que se apresenta na Figura 4.27 foi construída recorrendo ao fabrico de pequenas peças em acrílico que serviram para criar um suporte interno onde foram aparafusados os ESC. Exteriormente, foram maquinadas duas frames (0,114m de diâmetro), uma em plástico de baixo atrito (para deslizar ao longo do cilindro central) e outra em acrílico (por ser mais rígido que o plástico), unidas por perfis em alumínio (0,01 m x 0,01 m x 0,060 m), por forma a abraçar os componentes e dar robustez ao módulo. A PCB é fixada na frame de acrílico. No interior deste módulo foi ainda instalado um motor de passo e um circuito elétrico, que serve de driver a este, para trabalho futuro. Mais pormenores acerca deste trabalho são discriminados em 4.4. Este módulo encaixa no interior do cilindro central e está fixo à restante eletrónica. Figura 4.27: Módulo driver de motores 4.2.9 Desenvolvimento do circuito de interação com sensor de pressão Definiu-se que este hardware devia permitir adquirir e condicionar o sinal analógico, converter esse sinal para um formato digital e ser programável. Deveria ainda ser possível comunicar com este hardware através de uma ligação série. Tal, implica desenvolver um driver através do fabrico de uma PCB (ver Figura 4.25) com os principais componentes descritos no diagrama seguinte: 32 Especificação e Desenvolvimento Figura 4.28: Diagrama do hardware driver do sensor de pressão O sensor de pressão fornece um sinal em corrente proporcional à pressão que lhe é imposta. O primeiro passo é adquirir esse sinal convertendo-o para um sinal de tensão. Para isso dimensionouse uma resistência, que por sua vez foi ligada em série com o sensor para originar uma queda de tensão. Através de um amplificador operacional (AmpOp) em configuração seguidora de tensão faz-se o desacoplamento de impedâncias entre a aquisição e o posterior condicionamento. Este é feito através de um outro AmpOp, em configuração inversora e diferenciadora, responsável por aplicar um ganho e um offset ao sinal adquirido. A Figura 4.29 representa uma simulação de uma parte do circuito desenvolvido, em que o sensor de pressão e a fonte de tensão que o alimenta (ligados em série) estão representados por uma fonte de corrente. 0123456 A B C D E Sensor de Pressão R5 100Ω U1 TLV2460CP 3 24 7 6 8 U2 TLV2460CP 3 24 7 6 8 VDD 5V R1 532Ω R2 10kΩ R3 45556Ω R4 10kΩ Vf Vs Vo Figura 4.29: Circuito de aquisição e condicionamento de sinal do sensor de pressão A gama do sinal de saída do sensor em corrente varia entre 4 e 20mA, sendo que a esta corresponde uma gama de pressão com extremos em 0 e 6,0 bar respetivamente. Como o sensor é linear, pode-se estabelecer a relação 2,66 mA/bar. Para o AUV em particular interessa a gama 4.2 Atuadores, Sensores e Eletrónica 33 de pressão entre 1,0 bar a que correspondem 4 +2.66 =6,66mA à superfície e 2,0bar a que correspondem 4+2×2.66 =9,32mA para uma profundidade máxima de 10 metros. À variação da pressão de 1bar corresponde aproximadamente uma variação de 10 m na coluna de água. Embora esta unidade de pressão não seja SI, é utilizada devido à relação direta com a profundidade. Esta relação é afetada pelas características da água, como temperatura e concentração de sais. O sinal já em tensão terá de ser condicionado de forma a maximizar a resolução da medida de profundidade. Para isso é necessário parametrizar um ganho que faça a gama de sinal preencher completamente a gama de leitura do conversor analógico-digital (ADC) através do qual o sinal vai ser digitalizado. Um offset também tem que ser parametrizado para fazer coincidir os extremos da gama de profundidade pretendida, 0 e 10m, com os da gama de leitura do ADC, 0 a 5V. Para implementar tais parâmetros torna-se necessário dimensionar as resistências elétricas do circuito segundo as seguintes equações: Vo=Vf(1+γ)−Vsγ(4.3) Vf=5R4 R3+R4(4.4) Vs=RIsensor (4.5) γ=R2 R1(4.6) Com as seguintes condições: 0 m de profundidade Vo=5V Isensor =6,66mA 10 m de profundidade Vo=0V Isensor =9,32mA Fixando o valor de R5=100Ωe substituindo os valores das condições apresentadas, obtém-se o seguinte sistema de equações: 0=Vf(1+γ)−0.932γ 5=Vf(1+γ)−0.666γ Resolvendo: Vf=0,885V γ=18.8 Fixando o valor da resistência R4=10kΩe resolvendo a equação 4.4 determina-se o valor de R3=45,556kΩ. Por sua vez, convencionando R2=10kΩe resolvendo a equação 4.6 obtém-se o valor da resistência R1=532Ω. Fica então completo o circuito da Figura 4.29. Juntamente com 34 Especificação e Desenvolvimento este circuito pretende-se implementar um outro para então converter o sinal analógico em digital, poder desenvolver um programa para tratamento do sinal e seguidamente transmiti-lo. A solução passa então por integrar na mesma PCB o microcontrolador ATMEGA32U4. Este já possui o ADC necessário e comunicação série. Em relação aos AmpOp utilizam-se os dois presentes no chip TS912I. O que motivou a escolha deste foram valores da gama de alimentação e característica rail to rail. A maior preocupação durante o desenvolvimento desta PCB foi minimizar as suas dimensões. Para isso optou-se, sempre que possível, por componentes de dimensões diminutas. Por exemplo, resistências tipo SMD, chips com encapsulamento TQFP para o microcontroldaor e SOIC para os AmpOp. A alimentação é feita através do regulador de tensão LP2954IS que recebe níveis de tensão das baterias e fornece 5V. O layout desenvolvido apresenta-se na Figura 4.30. Figura 4.30: Layout da PCB fabricada para interação com sensor de pressão 4.3 Camadas de Software Osoftware utilizado segue na sua generalidade uma arquitetura modular, tal como a representada na Figura 4.31, já desenvolvida e utilizada no laboratório. As camadas de nível superior consistem em vários processos independentes e que comunicam entre si por user datagram protocol (UDP) e através de protocolos também desenvolvidos no laboratório. As camadas mais baixas comunicam com as superiores por porta série ou conversores ADC, no caso de alguns sensores físicos. Os módulos e comunicações desenvolvidos ao longo deste trabalho foram ao nível das camadas de drivers de dispositivos (no PC e no dispositivo) e dos sensores e atuadores físicos, nomeadamente para o sensor de pressão e para o módulo driver de motores. De referir que no 4.4 Conclusão 35 driver da placa de interação com o sensor de pressão (driver no dispositivo) foi programado um filtro de média através de um buffer circular implementado em memória dinâmica. Sensores e Atuadores físicos Drivers(nos dispositivos) Drivers(no computador central) Abstração Alto Nível Supervisão Navegação Sensor de Pressão Sensor de Pressão Sensor de Pressão Sensor Inercial AHRS AHRS Controlo Atuação Thusters Thrusters Data Logger Figura 4.31: Arquitetura do software utilizado 4.4 Conclusão OAUV foi construído e foi-lhe dada a designação de Small Hovering Auv with Differential actuation (SHAD). Ao longo do desenvolvimento do SHAD todos os elementos possíveis de serem isoladamente testados o foram, podendo-se considerar à partida o SHAD como o resultado da construção de um robô submarino com 0,12 m de diametro, 0,9 m de comprimento, combinados com 6,0kg de peso, apresentado na Figura 4.32. Inicialmente, queria-se o centro de massa próximo do centro geométrico para depois se implementar um controlo de roll. Esse controlo seria feito através da variação da posição angular de uma massa dentro do cilindro central, acoplada a um veio por meio de uma haste que a tornasse excêntrica. Esta é que iria afastar o centro de massa do centro geométrico do AUV, com posterior controlo da mesma ao longo de um raio de ação (distância entre a massa e o veio do motor que a atua). Dado que esta parte não foi implementada e para manter a estabilidade do ângulo de roll, adicionou-se uma massa para afastar então o centro de massa do centro de flutuação, que coincide com o centro geométrico do volume de água deslocado. O centro de flutuação do AUV, quando totalmente submerso, coincide com o seu centro geométrico. 36 Especificação e Desenvolvimento Figura 4.32: Batismo do SHAD Capítulo 5 Testes e Resultados 5.1 Introdução Depois de construído o SHAD, procedeu-se à realização de testes para obtenção de resultados e validação. Os testes de obtenção de resultados foram pensados para incidir no sensor de pressão, nos thrusters e no sensor inercial AHRS. São esperados resultados de medidas de profundidade com o teste do sensor de pressão, medidas de força exercida e corrente consumida com o teste dos thrusters e medidas de ângulos de yaw e pitch com o sensor inercial. Os testes para validação de resultados recaíram sobre os resultados anteriores e sobre a estanquidade do cilindro central, flutuação e centro de gravidade. 5.2 Testes 5.2.1 Teste de flutuação Primeiro teste a ser feito, depois de tudo montado, é o teste de validação de flutuação. Analiticamente, através do volume aproximado e peso do veículo, determinou-se que flutuava. No entanto, é importante validar este resultado visto que se fizeram aproximações. Então colocou-se oSHAD no tanque de testes (tal como na Figura 4.32) e foi-se adicionando e registando o peso adicionado até começar a afundar. Assim obtém-se a força resultante entre o peso do veículo e peso do volume de água deslocado, a impulsão, e consequentemente a força de flutuação. Por outro lado, houve um “exercício prático” de trimming. Este é necessário porque os componentes foram dispostos através de inspeção visual (embora a disposição poderia ter sido alvo de um estudo mais minucioso) e é preciso compensar algum desequilíbrio que possa existir. 5.2.2 Teste de estanquidade Segue-se o teste de validação de estanquidade, em que se ata uma âncora ao SHAD e se leva a profundidades cada vez maiores, durante intervalos de tempo também gradualmente maiores, emergindo entre estes e inspecionando se há vestígios de água no seu interior. 37 38 Testes e Resultados 5.2.3 Teste para determinação prática e validação do centro de massa Ao controlo do veículo está associado um modelo do mesmo, implementado em software, já desenvolvido previamente no laboratório. Esse modelo precisa de parâmetros para ser adaptado ao SHAD. Parâmetros esses que estão relacionados com a geometria e dimensões do veículo. Torna-se necessário então, ensaiar o veículo a fim de obter parâmetros sobre centro de massa. O teste feito consistiu em apoiar o cilindro central numa superfície cilíndrica e procurar o ponto de equilíbrio. 5.2.4 Teste de thrusters Concluídos os testes anteriores e validados os resultados, efetua-se um teste/caracterização dos thrusters com a finalidade de obter a relação entre comandos, força e corrente. Monta-se um setup tal como o da Figura 5.1, que envolve ancorar o SHAD com um peso conhecido e, através de uma haste de fixação, pendurá-lo na vertical em uma balança. Enviam-se comandos aos motores em teste (horizontais) e regista-se o peso obtido e a corrente consumida. Através da equação Força resultante =Peso da âncora +Força de flutuação +Força dos thusters obtém-se a força exercida por dois thrusters. Este teste é feito com o envio de comandos e receção de dados online graças a um ponto de acesso subaquático com dois terminais impermeáveis ligados por um fio subaquático. Desenvolvido por investigadores do laboratório, em que um dos terminais fica à superfície ligado à rede local e o outro, que tem um pequeno alcance (10 a 20 cm) de rede internet sem fios debaixo de água, é acoplado ao SHAD e permite uma ligação submersa à rede. Registaram-se os dados referentes aos dois thrusters testados e assumem-se os mesmos resultados para os outros dois. 5.2.5 Testes ao sensor de pressão e sensor inercial no sistema global Para validar o sensor de pressão, seria necessário realizar um teste de validação de resultados independentemente do sistema global, com uma análise rigorosa e comparando os resultados com medidas independentes que serviriam de ground-thruth (através de um outro sistema de medida de profundidade). O mesmo teria de acontecer para o sensor inercial, por exemplo através de um sistema tipo transferidor para medir ângulos. Na impossibilidade imediata de dispor tais sistemas, os testes que foram feitos a estes sensores foram juntamente com um teste para validar o sistema como um todo, sem validação (e calibração) por comparação com sistema de medida externo ao SHAD. Assim, os testes seguintes envolveram a importação de controladores, já desenvolvidos, para funcionamento do sensor de pressão e do AHRS no sistema, juntamente com software do modelo de AUV, navegação e logger. Através de scripts de missão são planeados os testes definindose referências para os controladores (exemplo da Figura 5.2). Posteriormente o SHAD irá tentar seguir estas referências e os dados são registados no computador central através do software de logger. 5.3 Resultados 39 Figura 5.1: Teste e caracterização dos thrusters 5.3 Resultados 5.3.1 Resultados do teste de estanquidade, flutuação e ao centro de massa Do teste de estanquidade comprovou-se que efetivamente não havia entradas de água na parte impermeável do sistema. Do teste de flutuação resultou a adição de uma massa de volume desprezável e 0,6 kg que serviu para equilibrar a flutuação do SHAD e também baixar o centro de massa. Do ensaio para determinar parâmetros conclui-se que o centro de massa situa-se aproximadamente no centro geométrico, tal como esperado devido à simetria do SHAD e à tentativa de distribuir uniformemente o peso dos componentes. A determinação prática do centro de massa, nos eixos horizontais, deu o resultado de [x,y] = [−0.460,0], no referencial com origem no nariz do AUV e sentido habitual dos eixos. Existem ainda algumas formas de ajustar estes parâmetros, variando a posição dos thrusters horizontais e acrescentando materiais mais ou menos densos, por forma a alterar a flutuação. Inicialmente tinha 0,7kg de flutuação. Quando se adicionou massa muito densa (desprezando o seu volume) ficou com aproximadamente 0,1kg de flutuação. De referir que estes resultados foram obtidos no tanque de testes do laboratório (água doce) e com o veículo não completamente submerso. Quando o AUV estiver totalmente submerso, a impulsão será ligeiramente superior. O centro de flutuação coincide com o centro geométrico do AUV. Outro resultado obtido aquando da adição de massa para estabilidade de roll foi a consequência deoAUV à tona de água, não totalmente submerso, apresentar duas posições estáveis. Quando 46 Testes e Resultados Capítulo 6 Conclusões e Trabalho Futuro O veículo submarino autónomo, SHAD, desenvolvido ao longo do trabalho, surgiu da necessidade de obter um veículo deste género com determinadas características para operar em pequenos espaços subaquáticos. Depois de analisado o estado da arte conclui-se que seria uma mais valia científica desenvolver um veículo assim. Então, fez-se em seguida uma definição dos requisitos do sistema, o que levou também à definição de um conceito. Com a experiência da equipa, da qual fazem parte os orientadores da dissertação, foi possível desenvolver o SHAD no laboratório, recorrendo a tecnologia já desenvolvida e ao desenvolvimento de outros subsistemas. Ferramentas eletromecânicas e computacionais foram também essenciais para o desenvolvimento do projeto. Por fim, o resultado é um AUV com peso leve no ar, pequenas dimensões, com quatro graus de liberdade e uma grande manobrabilidade. Os testes feitos ao SHAD serviram para validar o sistema como um todo e parcialmente alguns subsistemas. Ao nível pessoal foi adquirida experiência, conhecimento e sensibilidade nos processos de desenvolvimento de sistemas robóticos, nomeadamente submarinos. Foram também postos em prática diversos conhecimentos adquiridos ao longo do curso, o que fornece outra visão mais abrangente e uma postura mais matura face à engenharia. Ao longo do trabalho houve, claro, contratempos característicos da natureza do desenvolvimento. Mas da resolução com sucesso destas questões, resultou uma prática importante na despistagem, abordagem, gestão e solução de problemas não previstos. 6.1 Satisfação dos Objetivos Os principais objetivos foram concluídos com sucesso. São eles a elaboração de um protótipo e teste do conceito. Daqui deveria resultar, e resultou, um AUV com reduzidas dimensões, facilmente transportável e com grande manobrabilidade, próprio para operar em pequenos espaços subaquáticos. No entanto, testes mais rigorosos e desafiantes precisam ser feitos, nomeadamente para validar os subsistemas de medição por comparação com sistemas externos de medição das 47 48 Conclusões e Trabalho Futuro mesmas grandezas e devidamente calibrados. Também são necessários testes em ambientes outdoor. Houve, também, um objetivo que não foi concluído, ficando-se apenas pela integração de componentes no veículo, que era a implementação de um subsistema de controlo do movimento de roll do veículo. 6.2 Trabalho Futuro O trabalho futuro poderá ser desenvolvido ao nível de: •Estrutura mecânica - restringir melhor o movimento de rotação dos módulos em relação ao cilindro central. Este por sua vez pode ser substituído por um de alumínio, por exemplo, e assim habilitar o AUV a maiores profundidades •Conceito e desenvolvimento - estudar, desenvolver e implementar um sistema de controlo de roll, propriedade esta muito rara nos já existentes veículos. O veículo já tem algum hardware integrado nesse sentido •Performance - estudar e realizar uma troca de baterias com maior autonomia e também integrar motores de gama superior para maior velocidade e manobrabilidade. Anexo A Exemplos de AUV Na Tabela A.1 constam as principais características de alguns AUV selecionados. A informação foi obtida online de sítios oficias e de artigos publicados [5,4,13,14,10,8]. 49 50 Exemplos de AUV Tabela A.1: AUV e suas características AUV Imagem Ano Dimensões (m) Peso (no ar) (kg) Profund. máx. (m) Hovering Autonomia Aplicação Payload Navegação Mares 2007 1,5x0,2dia. 32 100 Sim Bateria Ião-Lítio 600 Wh (10h / 40 km) Monitorização, recolha de dados, mapeamento, vídeo Espaço limitado, simples integração Inercial, Sensor de Pressão, LBL fundido com dead reckoning e GPS FlatFish 2015 2,2x1,1x0,5 275 300 Sim Bateria Ião-Lítio 5,8 kWh Inspeção de estruturas e I&D Câmaras, Sonares, Lasers AHRS, Sensor de Pressão, DVL, USBL eGPS Remus 100 2003now 1,7x0,19dia. 32 100 Não Bateria Ião-Lítio 1,5 kWh (12h a 1,5 m/s) Investigação, Comercial e Defesa - LBL,DVL fundido dead reckoning, Inercial e GPS Sparus II 2013 1,6x0,23dia. 52 200 Sim Bateria Ião-Lítio 1,4 kWh (8-10h) Industrial, Científica e Académica 8 l / 7 kg (no ar) DVL,IMU, Sensor de Pressão e GPS Nessie VI 2011 1,74x0,28dia. - 100 Sim Bateria Ião-Lítio 2,1 kWh Académica e Competição Câmaras DVL, Sensor de Pressão, Inercial e GPS Referências [1] Minghui Wang, Yongquan Yu, Bi Zeng, e Wei Lin. 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