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IBP1444_06
ROBÔ AMBIENTAL HÍBRIDO
Artur D. Mendonça1, Auderi V. Santos 2, Breno B. Figueiredo3,
Gustavo M Freitas4, José A. Sena5, Ney Robinson S. Reis6, Pedro G. Panta7, Procópio S. Stein8, Roberto M. Carvalho1, Rodrigo C. Ferreira2
IBP1444_06 Robô Ambiental Híbrido
Copyright 2006, Instituto Brasileiro de Petróleo e Gás ­ IBP
Este Trabalho Técnico foi preparado para apresentação na Rio Oil & Gas Expo and Conference 2006, realizada no período de 11 a 14 de setembro de 2006, no Rio de Janeiro. Este Trabalho Técnico foi selecionado para apresentação pelo Comitê Técnico do evento, seguindo as informações contidas na sinopse submetida pelo(s) autor(es). O conteúdo do Trabalho Técnico, como apresentado, não foi revisado pelo IBP. Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões do Instituto Brasileiro de Petróleo e Gás, seus Associados e Representantes. É de conhecimento e aprovação do(s) autor(es) que este Trabalho Técnico seja publicado nos Anais da Rio Oil & Gas Expo and Conference 2006. Resumo O intuito desta pesquisa é desenvolver e implementar o robô ambiental híbrido, projeto da Petrobrás que será utilizado para realizar o monitoramento ambiental da região Amazônica Brasileira. A Petrobras está construindo o gasoduto Coari–Manaus ao longo das margens do Rio Solimões. O objetivo do sistema proposto é estudar os possíveis impactos ambientais causados pelo transporte de gás natural e petróleo, buscando a preservação da biodiversidade dessa região. Mais que isso, esse robô será uma ferramenta de um projeto maior (Cognitus), responsável por coletar informações e estruturar um banco de dados sobre a região Amazônica, a ser disponibilizado para centros de excelência e universidades. O robô deve ser capaz de superar obstáculos, podendo se locomover sobre água, terra firme, pântanos, brejos, terrenos alagadiços e arenosos, a fim de realizar medições e tarefas nesses ambientes. Abstract The objective of this research is to develop and implement a robot capable of monitoring the environment of the Brazilian part of the Amazon rain forest. By the margins of Solimões River, a gas duct will be construct by Petrobras S.A., between the cities of Coari and Manaus. The system’s function is to study the possible ambient effects of gas and oil transportation, looking for the preservation of the biodiversity of this area. More than this, the robot will be a tool of a bigger project (Cognitus), collecting information for a data bank of this region. The robot should be able to get through obstacles, moving over water, land, sand, swamp and floating plants in order to make measurements and realize tasks in these places. ______________________________
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Estudante de Graduação – PUC Rio
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Engenheiro, Funcionário – PUC Rio
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Engenheiro, Bolsista – FACTI
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Estudante de Pós­Graduação ­ UFRJ
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Maqueteiro – Petrobras
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Engenheiro Mecânico – Petrobras
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Estudante de Pós­Graduação – PUC Rio
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Estudante de Graduação – UFSC
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1. Introdução A extração, beneficiamento e posterior transporte de hidrocarbonetos na Região Amazônica sempre receberam atenção especial da PETROBRAS e do seu Centro de Pesquisas e Desenvolvimento ­ CENPES, de forma a preservar o meio ambiente e evitar possíveis impactos causados por suas atividades. Acreditamos que o sucesso desta empreitada, passa, obrigatoriamente, por um trabalho embebido em profundo respeito, onde nosso comportamento e atitude devem estar revestidos de humildade diante da natureza e de tudo e todos que lá habitam, representando culturas e comportamentos desde tempos imemoriais.
Na Região, destaca­se a província petrolífera de URUCU onde opera a maior Unidade de Processamento de Gás Natural do Brasil, com a produção em torno de 6 milhões de metros cúbicos de gás natural por dia. Atualmente, por falta de centro consumidor e, por conseqüência, a inexistência de malha de distribuição, grande parte deste gas precisa e esta sendo reinjetado no reservatório. Por outro lado, a cidade de Manaus, capital do Estado do Amazonas, além de importante metrópole, em rápido crescimento, abriga um destacado Pólo Industrial. Para dar conta das demandas energéticas, inerentes a tal perfil, são utilizadas Termoelétricas que, por sua vez, consomem óleo diesel não disponível na cidade e que lá chegam via fluvial, via Rio Solimões.
1.1. Motivação e Cenário
Com o intuito de se dar uma solução integrada a esta equação, foi lançado, em solenidade oficial, este ano, um importante empreendimento para a região e para o País. A PETROBRAS iniciou a construção de um gasoduto interligando as cidades de Coari e Manaus, dando assim condições para o escoamento deste importante derivado para ser utilizado na formação de uma Matriz Energética mais limpa e sustentável para a região. O traçado que melhor atende as particularidades de tal empreendimento compreende uma faixa de 420 km de extensão, onde o gasoduto cruzara, alem das cidades de Coari e Manaus, os municípios de Codajas, Anori, Anamã, Caapiranga, Manacapuru e Iranduba. As características hidrológicas e climáticas dominantes na região determinam diferentes cenários e complexidades peculiares ao longo dos trajetos onde se faz necessária a instalação e operação de equipamentos, dutos de escoamento e distribuição de petróleo e derivados, tudo isso configurando tarefas das mais desafiadoras já que estamos lidando com uma região conhecida como abrigo da maior biodiversidade do mundo ­ a Floresta Amazônica, a maior floresta tropical remanescente no mundo, representando cerca de 40% das florestas similares no planeta. Em função disso, vários estudos e projetos específicos vem sendo desenvolvidos, mormente para as áreas alagáveis e de difícil acesso, como as afetadas pelos períodos de cheia deste complexo hídrico, quando as águas podem subir até 15 metros, inundando quilômetros e quilômetros de suas margens compostas por matas de terra firme, matas de várzea, matas alagadas por água barrenta de rios, paranás e igarapés (como as águas do Rio Solimões) e, ainda, matas de igapós e chavascais, inundadas quase que permanentemente por águas pretas (como as águas do Rio Negro).
A PETROBRAS encabeça, junto a outros centros de excelência da Região e do País, uma rede de pesquisadores, que busca conhecer melhor a região e suas peculiaridades. Projetos como o Cognitus e Piatam realizam expedições rotineiras à região, onde medições ambientais, levantamento de dados, entrevistas socioeconômicas, coletas de amostras e analises estão formando um grande banco de dados, ate então inexistente, que alimentara e dará suporte a outros estudos e desenvolvimentos, colaborando e fortalecendo massa critica Brasileira.
Esses profissionais e pesquisadores estão expostos aos mais diversos riscos, incluindo o contato com insetos transmissores de doenças (febre amarela, malária, dengue, leishmaniose, entre outros) e animais próprios da região.
2. Histórico
A proposta do Laboratório de Robótica da Tecnologia Submarina do Cenpes surgiu a partir de uma das excursões, em dezembro de 2004, quando o grupo do projeto Cognitus esteve conhecendo e avaliando locações semelhantes às locações onde os canteiros de obra de construção do gasoduto seriam instalados. O que mais impressionou foi a transição que existe no trecho entre a superfície de água do rio e a chamada terra firme. Ao longe a aparência de uma região de praia coberta por uma fina relva. Ao aproximar a embarcação desta interface, a 2
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navegação e interrompida pela existência de uma extensa e espessa camada de plantas flutuantes por onde não se pode passar: nem de barco a motor ou a remo. Num exame mais detalhado, percebe­se que tal impossibilidade de locomoção e estendida: nem nadando, nem andando... .
Uma barreira viva, composta por macrófitas, que vão desde meia água ate acima da superfície, as macrófitas. Entremeado a elas, desde o leito do rio ate acima da superfície, podendo chegar, em media a 1,0 m de altura, as canaranas (cana = gênero de plantas poaceas + rana = em tupi, falso, mentiroso) ou as falsas canas. 3. Robô Ambiental Híbrido Como diretriz primeira do projeto, o conjunto ao final com suas várias tecnologias e acessórios a serem utilizadas no robô, não poderá, por exemplo, emitir ruídos ou descartar resíduos que interfiram no meio onde se desloca e opera. O sistema deve ser o menos invasivo possível, buscando em primeiro lugar a preservação da floresta Amazônica. Além disso, é muito importante que a região a ser monitorada não sofra distúrbios oriundos dos sensores ou do próprio sistema medidor, comprometendo assim a qualidade dos dados coletados.
O robô é chamado de híbrido pelas seguintes razões:
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Mesmo operando com baterias num primeiro momento, estará aberto a outro tipo de fonte de energia tal como Célula a Hidrogênio.
Poderá ser tele­operado ou conduzido por um pesquisador à região de interesse.
Saindo das "estradas naturais" da Amazônia que são os rios, precisara atingir terra firme passando por sobre água, terrenos alagadiços, vegetação sobrenadante (macrófitas, canaranas, etc.), pântanos, igapós com troncos e galhos flutuantes, lama, brejos etc.
A partir das características do ambiente de operação, além das tarefas e missões a ele destinadas, algumas idéias e concepções foram elaboradas para dar suporte e lidar com o problema deparado. O robô ambiental híbrido devera realizar medições, coletar dados e amostras e executar tarefas em movimento ou não.
Pelos motivos já expostos, flutuabilidade e uma das maiores necessidades deste veículo. Conjuntos roda/propulsor com perfil aletado e superfícies especiais foram desenvolvidos para essa aplicação, visando aumentar a flutuabilidade do robô. Quando o veículo estiver se locomovendo sobre a água, os eixos das rodas ficam inclinados em relação ao chassi, aumentando o volume do conjunto roda/propulsor submerso e conseqüentemente seu empuxo.
Para possibilitar a locomoção nos diversos e prováveis terrenos estudados, um novo modelo de suspensão foi desenvolvido a fim de que seja possível efetuar a alteração da cambagem (angulo de atuação entre eixo da roda/propulsor e eixo do robô) da roda sempre que necessário. Esta necessidade é determinada pelo conjunto roda/propulsor e sua modificação contínua e gradativa da área de contato com o terreno, buscando uma configuração ótima de "atrito x torque" para cada ambiente de operação. Figura 1. Desenho dos cenários esperados
Figura 2. Desenho das rodas/propulsores e cambagens
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Já num ambiente ­ desde flutuante ate solo firme ­ livre de obstáculos, os eixos das rodas podem tomar a posição paralela ao chassi, aumentando a velocidade de locomoção. De acordo com o trajeto a ser percorrido e toda a gama de dificuldades já relatadas, diferentes ângulos de inclinação entre eixos e chassi são utilizados, buscando a melhor configuração para cada situação/terreno.
Os sistemas desenvolvidos buscam ser ousados e inovadores, mas também simples e pouco invasivos.
O robô e movido à energia elétrica, por esta ser a tecnologia mais madura, mais limpa e renovável. Conjuntos de baterias de alto desempenho associados a células fotovoltaicas serão empregados. Apesar de cumprir os requisitos do veículo, a utilização de baterias limita a autonomia do veículo, sendo necessário que o robô retorne à base, após algum tempo de operação, para recarregar essas baterias.
A fim de cobrir toda a extensão de 420 km previstos para o gasoduto, varias bases de apoio e operação flutuantes serão construídas e dispostas ao longo do seu curso. Denominadas de MARINAS, funcionarão como pontos de recarga e manutenção dos robôs, mas também como laboratórios avançados para dar suporte aos pesquisadores em analises e estudos direcionados.
Devido às limitações de energia embarcada nos robôs, a definição das missões devera levar em conta um raio de ação de segurança. Teremos uma serie de robôs cooperativos atuando dentro de seus limites pré­
estabelecidos e ao ser atingido este limite, um outro robô entra em operação buscando a continuidade operacional. O conjunto de ações simples e pequenas tarefas podem fazer parte de uma operação complexa.
O robô poderá ser comandado por um operador embarcado, ou então, tele­operado a partir de uma base de controle via sistema de comunicação. Cada unidade possuirá manipuladores mais sistema de visão, a fim de interagir com o ambiente: realizar pequenas tarefas e coletar amostras e espécimes.
Sensores de pH, oxigênio dissolvido, temperatura, salinidade e hidrocarbonetos serão utilizados para monitorar as características das águas dos rios da Região. Essas informações serão enviadas para um posto, e posteriormente analisadas e inseridas numa base de dados. Além disso, um coletor de amostras também será embarcado.
4. Modelo Reduzido Como estratégia de desenvolvimento, foi construído inicialmente, um protótipo em escala reduzida (escala 1:4). Sua implementação num curto espaço de tempo (apenas 6 meses ) teve como principal objetivo comprovar a adequação da arquitetura proposta , bem como o funcionamento e a viabilidade do sistema . Esse modelo, apenas com as funções básicas de locomoção do robô, foi construído com materiais de fácil obtenção, baratos e de fácil manipulação. A estrutura do robô foi feita em acrílico, e as rodas foram confeccionadas em isopor. Suas características são:
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Peso de 5,5 kg
Rodas com diâmetro de 270 mm.
Conjunto de motores com redução de 24 V, com 17 RPM e torque final de 0,3 Nm por roda. Conjunto de 20 baterias de Nimh recarregáveis de 1,2 V e 2600mAh cada.
Único comando de suspensão para as 4 rodas/propulsores. Tele­operado, possuindo câmera de TV embarcada.
Após sua implementação e testes preliminares realizados em laboratório, o protótipo­robô foi levado até a Amazônia, onde passou por rigorosos testes no local real de operação. O modelo inicial reduzido atendeu as expectativas. Apesar de seu tamanho e da limitação de recursos, o veículo conseguiu se locomover em todos os terrenos previamente levantados.
Foi possível observar, que, muitas vezes, o robô percorre locais aonde a altura da vegetação supera em muito suas dimensões. Esta e muitas outras constatações e experiências obtidas nos testes de campo levaram à constatação de que os modelos em maior escala terão ainda menos dificuldade em atravessar e manobrar nas regiões de interesse.
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Figura 3. Locomoção sobre canaranas e macrófitas
Figura 4. Aclive em solo lamacento e vegetação rasteira.
Figura 5. Deslocamento tendo um tronco flutuante como guia
Figura 6. Deslocamento em terreno firme com vegetação intensa e alta
5. Modelo Intermediário Com o aprendizado relatado acima, uma nova versão em maior escala passou a ser elaborada. A construção do modelo intermediário funcionaria como um segundo passo no desenvolvimento do veículo final, capaz de transportar uma pessoa. Esse modelo serviria como laboratório das tecnologias a serem embarcadas no robô tripulado. Todos os controles poderiam ser desenvolvidos para o modelo intermediário, e depois simplesmente adaptados às próximas versões.
Novas surpresas, porém, surgiram durante os testes realizados com o modelo intermediário na Amazônia. A partir de troca de idéias com pesquisadores e potencias usuários do equipamento, ficou clara a necessidade rotineira de operar o veículo em áreas de mata fechada, aonde a versão final do robô não teria acesso devido às suas grandes dimensões. Com isso, o modelo intermediário passou, também, ser um tamanho necessário, já que essa configuração será, provavelmente, a mais utilizada em operações na região.
Um dos objetivos iniciais da implementação do veículo intermediário foi de adquirir rapidamente um protótipo já operacional. O modelo inicial já havia cumprido sua função, e não seria capaz de realizar as tarefas mais complexas estipuladas ao robô. Já o modelo tripulado, com o pesquisador em seu interior necessitara, ainda de mais estudo e detalhamento já que deverá contemplar, em sua especificação básica itens de segurança específicos, o conforto e nível de segurança exigidos quando há vida humana em jogo.
O modelo intermediário do robô foi, também, desenvolvido utilizando equipamentos e itens que pudessem ser obtidos em curto prazo, afim de que fosse possível levar o veículo para teste na Amazônia, o mais rápido possível, o que ocorreu em oito meses.
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O novo sistema é exclusivamente tele­operado, com o operador comandando o robô via rádio. Uma câmera envia imagens ao operador. O veículo leva consigo um conjunto de sensores responsáveis por realizar medições de parâmetros de água, um manipulador capaz de realizar pequenas tarefas e um coletor de larvas para analise a distancia. Suas características são:
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Peso aproximado de 120 kg.
Rodas com diâmetro de 600 mm.
Motores com redução para tração individual, com tensão nominal de operação de 48 V, com 28 RPM (velocidade final de 3.16 km/h) e torque de 15 Nm por roda. Dois conjuntos de baterias, um de 48 V e 7.2 Ah, e o outro de 24 V e 5.0 Ah.
Motores com redução para comando individual das quatro suspensões. Tele­operado, possuindo câmera de TV.
Manipulador elétrico com três funções.
Sensores para medição e monitoramento de parâmetros de água.
Figura 7. Testes no Lago do Baixio (Rio Solimões)
Figura 8. Testes na Amazônia
Figura 9. Testes no local de operação, onde predominam macrófitas e canaranas
Figura 10. Coleta de lixo ao longo das margens dos rios e local dos testes
6. Modelo Tripulado Alem de dar continuidade aos dois modelos já testados usando­os como plataforma de desenvolvimento e testes de outras tecnologias ou mesmo melhorias já detectadas, detalhamento do modelo tripulado já foi, também, iniciado.
Como já descrito, este equipamento foi inicialmente concebido para ser capaz de transportar uma pessoa na região Amazônia, se locomovendo sobre todos os diferentes terrenos encontrados. Os primeiros testes na Amazônia demonstrarem que um veículo tripulado, por suas grandes dimensões, não 6
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possuirá a mesma mobilidade que os modelos em menor escala. Alem das limitações de espaço para locomoção entre as arvores e obstáculos naturais, o robô tripulado poderá não conseguir acessar áreas com maior densidade vegetal.
Apesar desse fato, o modelo tripulado continuou sendo considerado a etapa final do projeto e, pelas dimensões, espaço interno e capacidade de carga, será o candidato natural a receber todas as funcionalidades (já levantadas ou que venham a ser propostas) e ferramentas que dêem respostas às necessidades oriundas dos pesquisadores. Ela servirá para casos em que a presença de um profissional no campo de trabalho seja indispensável, ou ainda para remover alguma pessoa de local de difícil acesso. Suas características são: •
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Tripulado por uma pessoa ou tele­operado a partir de base de comando.
Sistemas de captação de imagens 3D em Centro de Realidade Virtual e de operação remota.
Microfones e Hidrofones.
Intercomunicação entre robôs; entre robôs e a base; entre robôs e a base de operações no CENPES (ou outro local).
Conjunto de itens para sobrevivência na floresta e em locais hostis.
Rodas com 1200 mm de diâmetro.
Acessórios de apoio à navegação.
Acento integrado a painel de controle embarcado. Figura 11. Desenho do modelo tripulado
7. Ferramentas Auxiliares Embarcadas Das missões ate agora destacadas para o robô ambiental híbrido, o monitoramento ambiental da Amazônia, principalmente na região do gasoduto Coari­Manaus e, sem duvida, uma das mais necessárias. A continuidade das medições realizadas e amostras coletadas pelo robô são fundamentais para a formação de uma memória que servira de base para observar se elas serão alteradas com a construção e utilização do duto, possibilitando ações de contingência ou mitigação.
Atualmente, uma sonda com sensores embarcados está sendo utilizada. Ela pode medir, e informar em tempo real e a distancia, os seguintes parâmetros: Oxigênio dissolvido, Temperatura, Condutividade, Salinidade e pH da amostra de água analisada. Em estudo a instalação de um sensor específico para detectar a presença de hidrocarbonetos e derivados na água.
Uma das principais atividades dos pesquisadores que atualmente trabalham na região é a coleta de larvas de mosquito, obtendo informações sobre a presença e concentração de cada espécie em determinadas regiões. As larvas podem ser de mosquitos transmissores de malaria, dengue, febre amarela, leishmaniose, entre outros. Buscando evitar o contato direto do homem com esses perigos em potencial, o robô possui um coletor de larvas, anexado ao manipulador, junto com uma câmera, capaz de obter imagens da amostra e enviá­las a um biólogo, que realizará as análises em local seguro.
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Figura 12. Sonda embarcada
Figura 13. Coletor de larvas
8. Conclusões
Capazes de “reconhecer” e adaptar­se aos diferentes tipos de solo, desviar de obstáculos, achar trajetórias e receber e cumprir ordens enviadas remotamente, os Robôs Ambientais Híbridos possuem um conjunto de sistemas mecânicos, elétricos, computacionais, de sensoriamento e de comunicação que os transformam em um braço avançado do homem para realizar tarefas Pré­programadas ou em tempo real.
Ao longo dos trabalhos de desenvolvimento, teste de laboratório e de ambientação, bem como em conversas e troca de idéias seja com moradores ribeirinhos seja com profissionais de Centros de Excelências da região – uma nova perspectiva esta sendo forjada.
Estamos diante de um novo conceito de transporte de pessoas ou carga na região. O projeto apresenta potencial para ir alem do monitoramento ambiental, ou da mera aplicação industrial.
Em todo operado pelo homem/mulher ou tele operado a distancia, ribeirinhos ou pesquisadores Brasileiros terão esta opção para deslocamentos seja para seu dia a dia, ou estudos científicos.
Entendemos, que deste modo poderemos somar no esforço crescente de incorporar e integrar, de modo definitivo, ao Brasil, tão estratégica, bela e cobiçada região de nosso País.
Robôs Ambientais Híbridos – Ousados sim, porém pouco invasivos. 9. Agradecimentos Agradecimentos a todos os demais integrantes do Laboratório de Robótica do CENPES, também participantes do projeto do robô ambiental híbrido: Guilherme Aires, Luis Carlos Messina, Matheus Rosário, Simone Pereira e Thayssa Klein.
10. Referências BASE DE DADOS TROPICAL, consultado em setembro de <http://www.bdt.fat.org.br/sci?sci.biom.amaz>.
ITAMARATI, Ecossistemas Brasileiros, consultado em setembro de <http://www.mre.gov.br/cdbrasil/itamaraty/web/port/meioamb/ecossist/apresent/apresent.htm>.
2005, 2005, 8