Desenvolvimento de um novo veículo híbrido ROV

24º Congresso Nacional de Transporte Aquaviário,
Construção Naval e Offshore
Rio de Janeiro, 15 a 19 de Outubro de 2012
Desenvolvimento de um novo veículo híbrido ROV-AUV:
Resultados preliminares
Antonio Eduardo Assis Amorim - FATEC-JAHU
RESUMO
Este trabalho descreve o atual estágio em que se encontra o desenvolvimento de
um novo tipo de veículo submersível com a finalidade de efetuar observações de
forma autônoma. Mostramos aqui a arquitetura do veículo, alguns dos seus
sensores, discutimos brevemente sobre o sistema de navegação do veículo que é
composto do giroscópio, bússola digital e acelerômetro.
1. INTRODUÇÃO
Desde 1995, o laboratório de submersíveis
da Fatec-JAHU vem desenvolvendo atividades
de pesquisa na área de veículos submersíveis
não tripulados, chamados VSNT. O primeiro
veículo, chamado VSNT-JAHU I é um
ROV(Remote operated vehicle) que dispõe de
dois propulsores, uma câmera de vídeo e
iluminação e trabalha com sinal analógico.Em
2000 foi desenvolvido um segundoROV
quetrabalha com sinal digital, seis propulsores,
câmera de vídeo com processamento digital de
imagens e iluminação.
A operação de ROV em certas tarefas e
ambientes exige boa habilidade do operador e
as atividades de monitoramento contínuo
devem ser feitas de forma autônoma. Desta
forma a partir de2010, um novo veículo
vemsendo
construído
na
instituição,
operandotanto no modo ROV quanto no modo
AUV (Autonomous underwater vehicle).
A maioria dosveículos AUV foi originada de
protótipos que buscam estudar a autonomia do
veículoe não na execução de missões
específicas [1].Diversosveículos autônomos
são desenvolvidos com a finalidade de efetuar
tarefas de observação do ambiente[2,3] e
alguns deles buscam analisar problemas da
navegação baseadana visão[4, 5].
Em nosso caso o objeto de estudo é
desenvolver um veículo que enquanto ROV
possa desenvolver atividades pontuais de
observação e enquanto AUV possa efetuar
atividades de monitoramento. A ênfase neste
projeto é estudar a demanda dos processos
computacionais dos sistemas do veículo. A
performance do veículo depende em parte do
processamento numérico e do sistema de
controle do veículo.
Os testes no veículo, por estar ainda na
fase preliminar do projeto, serão feitos em um
ambiente controlado.
Este veículo de pequenas dimensões é
projetado para atuar em águas rasas.Por
trabalhar em águas rasas, além da
considerável redução de custos, o GPS do
veículo mantém permanente contato.
O movimento do veículo tem três graus de
liberdade:avanço, caturro e guinada. Isto traz
uma redução na quantidade de equações
hidrodinâmicas do veículo com um número
1
menorde parâmetros, permitindo analisar o
comportamentodo sistema como um todo.
A arquitetura do veículo depende em parte
dos objetivos e requerimentos da missão. No
veículo MBARI, há um núcleo central que
independe do tipo de missão, enquanto há
partes periféricas que são modificadas em
função dos requisitos da missão[12].
O ponto de partida paraa concepção do
veículo parte da definição dosobjetivos da
missão, que são:
• atuar em águas rasas;
• manter uma determinada posição;
• acompanhar uma trajetória prédeterminada;
• rastrear e acompanhar um cabo
submerso;
• desviar de obstáculos.
O veículo atende aos seguintesrequisitos:
• veículo de pequenas dimensões e
leve,
podendoser
facilmente
transportado;
• sensores eletrônicos disponíveis no
mercado;
• placa do micro controlador de fácil
programação baseado em software
livre,
• quantidade suficiente de portas
paraacesso
aos
demais
subsistemas;
• tensão de trabalho, no máximo 12 V
DC;
• profundidade de trabalho em até 3
m;
• montagem da estrutura e dos
compartimentosem material flexível,
disponívelno mercado;
• capacidade da bateria até 10 Ah;
• baixo consumo de energia do
sistema.
Este trabalho está organizado como segue:
na seção 2 discutimos brevemente a
concepçãodo arranjo da estrutura; na seção 3
apresentamosos arranjos elétricos, sinais dos
sensorese a estrutura de software para a
operação doveículo operando como ROV e as
discussõespara a sua operação como AUV.
2. ESTRUTURA
Figura 1. Arranjo da estrutura do veículo.
A movimentação do veículo é feita por meio
de três propulsores, dois a ré e um na posição
vertical. Os hélices são Kaplan Ka 4-70 em
tubos Kort nº 37.A energia do veículo é
fornecida por uma bateria selada chumbo-ácido
12V com capacidade de armazenamento de
7.2 Ah. Uma câmera de vídeo fornece as
imagens por meio de um cabo assim como os
dados transmitidos e recebidos. Posteriormente
os dados, tanto da imagem como dos sensores
serão registrados na memória, eliminando
todos os cabos.
A eletrônica a bordo para comunicação e
guiagem, controle da navegação é baseada no
microcontroladorArduino com os sensores de
pressão, bússola digital, inclinômetro e GPS.
3. ARQUITETURA DO VEÍCULO
A arquitetura do veículo é apresentada na
Fig. 2. O microcontroladorcentral do veículo é o
Arduino fabricado pela ATMEL©, trabalha com
palavras de oito bits, seis canais PWM,seis
portas analógicas e 8 digitais, conexão serial
USB, já possui um ``bootloader'', trabalha com
uma fonte externa de 9 V, comunicação I2C,
memória flash de 32 Kb, EEPROM de 1Kb e 2
Kb de RAM. Opera com um clock de 20 MHz e
trabalha numa faixa de temperatura de -40ºC a
80ºC. A escolha por este microcontrolador é
porque seu custo é baixo, o código de
programação é livre, existem uma série de
sensores
adaptados
para
este
microcontrolador.
Atualmente
este
microcontrolador controla os atuadores, recebe
o sinal dos sensores e no futuro poderemos
acrescentar mais microcontroladores dedicados
para funções específicas.
A estrutura do veículo é montada em tubos
de ¾’de PVC, uma vez que permitem
facilmente adaptações à medida que novos
sistemas são incorporados aoveículo. As
dimensões do veículo são 60 cm x 65 cm x 26
cm. O arranjo da estrutura do veículo é
mostrada na Fig. 1.
2
Figura 2. Arquitetura do veículo.
Compõe o sistema de navegação o módulo
9DOF que contém giroscópio, bússola digital
três eixos,acelerômetro de três eixose o GPS
Shield, ambas da Sparkfun©.
O acelerômetro pode ser usado como
inclinômetro. A qualidade do sinal pode ser
vista na Fig. 3. Na parte superior temos a
característica do sinal para uma série de
leituras.
A bússola digital mede campos magnéticos
na faixa de 1.3 a 8.1 Gauss e o acelerômetro
trabalha na faixa 2g a 8g. Possui o mesmo
protocolo de comunicação, podendo trabalhar
com clock de 100 ou 400 KHz. A resolução do
campo magnético é 5mGauss.Os sinais típicos
do 9DOF são apresentados na Figura 3.
Comportamento do sinal do módulo 9DOF. A
variação dos valores é pequena e está em
curso estudos para a implantação de filtros
melhorando a qualidade do sinal.
Por atuar em baixa profundidade (3 m), o
sinal do GPS é ativo podendo ser usado.O
módulo GPS consiste de duas partes: o sensor
GPS propriamente dito cuja finalidade é
receber os dados de timecode de satélites GPS
e a interface da placa com o GPS, chamada
``GPS Shield'', como mostra a Fig. 4.
(b) Sinal do ângulo.
Figura 3. Comportamento do sinal do
módulo 9DOF.
Figura 4. Módulo de GPS e "GPS
dataloggingshield".
O sensor GPS é composto pelo módulo EM406A da USGlobalSat baseado no ``chipset''
SiRFStarIII. Este módulo usa a tecnologia do
chipset, incluindo regulador de tensão, LED de
indicador de status, RAM suportada por bateria
e possui uma antena embutida e possui as
seguintes características:
•
receptor de 20 canais;
•
alta sensibilidade: -159 dBm;
•
Precisão da posição 9.144 m ou
7.62 com WAAS;
(a) Sinal do acelerômetro para cada eixo.
•
Suporta WAAS no modo padrão;
•
partida quente: 1s;
•
partida morna: 38 s;
•
partida frio: 42 s;
•
baud rate de 4800;
3
•
padrão serial 8/1/N;
•
protocolo de saída NMEA 0183 e
protocolo binário SiRF.
Ambos os sinais foram obtidos com o veículo
parado.
O módulo trabalha com uma taxa de 1 Hz
de aquisição de dados nos modos GGA, GSA,
GSV e RMC. A fig. 5 mostra um sinal típico do
GPS, para uma série de leituras.
(a) Curso da trajetória.
(a) Sinal do GPS referente a latitude.
Sinal da velocidade.
Figura 6. Comportamento dos sinais do sensor
GPS.
(b) Sinal do GPS referente a longitude.
A Fig. 7 mostra o resultado da extração dos
dados do GPS que foram realizados no interior
do barracão. A marca azul representa o ponto
de ensaio e em vermelho temos o ponto obtido
do GPS no Google Maps.
(b) Sinal do GPS referente a altitude.
Figura 5. Comportamento dos sinais do sensor
GPS.
Na fig. 6 temos a forma do sinal para o
curso da trajetória e a velocidade do veículo.
4
(a) Comportamento do sistema em um trajeto
longo.
Figura 7. Variação do valor experimental da
aquisição de dados no GPS(Vermelho) e do
local de ensaio(azul).
O erro máximo encontrado está em torno de
6 m se considerarmos que o Google Maps
esteja georreferenciado. A Fig. 8 mostra a
comparação dos dados do GPS sobre o
Google maps, mostrando um acordo razoável.
Na Fig. 8b observamos um pequeno detalhe da
movimentação do sistema GPS na cidade. Na
Fig. 8a temos uma visão do sinal do sensor em
um trajeto realizado na cidade. A Fig. 8b
mostra detalhes de trajetórias com curvas
acentuadas. Estas distorções estão dentro do
erro do sensor. Na instituição existe um marco
do IBGE com as seguintes coordenadas:
latitude 22.3138456º S e longitude 48.5482558º
W e os valores obtidos pelo GPS são: latitude
22.31386º S e 48.54825º W, mostrando
diferenças muito pequenas. Desta forma
podemos considerar que estas diferenças
observadas no mapa podem ser devido à
pequenas distorções do mapa e a resolução do
GPS(5 casas decimais).
(b) Detalhe da trajetória.
Figura 8. Comportamento do GPS em um
trajeto longo.
A câmera, como é mostrada na Fig. 9
possui um sensor CCD, com uma abertura
elétrica de 1/60 a 1/1200/s, uma abertura
relativa de 2.0, resolução de 420 linhas
horizontais. O consumo de energia chega a 1
W, relação sinal/ruído de 48 dB, com um peso
máximo de 1 kg e temperatura de operação de
-10ºC a 50ºC. A câmera é estanque
trabalhando com profundidades de até 18 m. A
câmera dispõe de 12 leds. A saída da câmera é
RCA e a adaptação para a entrada USB no
notebook é feita usando o dispositivo EasyCap
USB 2.0 VideoAdapter.
Figura 9. Vista da câmera.
O suprimento de energia pode ser feito por
uma fonte externa e há um conector USB que
permite a conexão dos dados com o
5
computador, ou mesmo a transferência do
arquivo fonte.
Dentre
os
microcontroladoresArduino,
temos o ArduinoDuemilanove, o ATMega, etc...
Porém em vista de que futuros acessórios
poderão ser incorporados no veículo, optamos
em trabalhar com o AT Mega 2560 em vista de
que possui uma quantidade suficiente de portas
analógicas e digitais.
O sistema de propulsão do veículo é
composta de motores elétricos adaptados dos
modelos de bombas de porão 380 gph. Os
hélices são do tipo Kaplan em tubo Kort. As
bombas são de baixo custo, trabalham em 12 V
com consumo 2 A de corrente elétrica. A Fig.
10 mostra o propulsor do veículo, que são
construídos em material PVC. Um encoderestá
sendo adaptado ao motor. O controle de
potência é feito pelo módulo L298N dual com
ponte H.
Figura 10. Vista do propulsor do veículo.
A Fig. 11 mostra uma análise da tensão e
rotação do propulsor. Estes ensaios estão em
curso para a caracterização do atuador que
será usado no sistema de controle.
O sistema de comunicação dos dados entre
os microcontrolador e a CPU do operador
segue o protocolo serial RS232.
A bordo do veículo há dois sonares da
Futurlec©, um na proa do submersível com a
finalidade de detecção de obstáculos e outro
situado na parte inferior do veículo para a
leitura da profundidade.
4. NAVEGAÇÃO E CONTROLE
Para a operação no modo AUV, a atitude do
veículo pode ser obtida por meio de duas retas
ortogonais, uma orientada no sentido do campo
magnético e a outra orientada no sentido do
campo gravitacional. Inicialmente iremos usar o
sistema de controle PID no veículo devido a
sua simplicidade.
Atualmente está em curso simulações
analisando o comportamento do veículo,
usando o sistema de controle PID e filtro de
Kálmanextendido.
5. CONCLUSÃO
E
TRABALHOS
FUTUROS
Este trabalho mostra o atual estágio de
desenvolvimento do desenvolvimento de um
novo veículo híbrido desenvolvido pelo
Laboratório de submersíveis. Atualmente os
estudos do seu desempenho irão ocorrer na
forma de ROV, passando posteriormente para
o modo autônomo, à medida que forem
incorporadas novas tecnologias. O veículo é
leve, de pequenas dimensões, de baixo custo e
atua em três graus de liberdade.
A arquitetura de controle, encarregado pela
execução, controle e coordenação em tempo
real das diversas funções que colaboram para
o sucesso da execução da missão está em
testes de calibração e ajustes. O sistema
possui os sensores GPS, inclinômetro,
giroscópio e bússola digital. O sistema já está
em funcionamento, faltando apenas a
calibração do sistema, tendo o Arduino como
microcontrolador.
O sistema contempla um sensor de
umidade para monitorar a estanqueidade do
compartimento, um sensor de pressão e está
em curso o desenvolvimento do sonar para o
veículo, com a finalidade de detecção de
obstáculos. Futuramente os sensores serão
acoplados ao sistema de navegação, ajudando
nas tarefas de docagem[10].
O sistema de controle é PID visando
futuramente a implantação com o controle
``back-stepping''. com este sistema esperamos
desenvolver uma arquitetura de controle
embarcado que permita rastrear e seguir cabos
submersos[10,11]. O ajuste dos parâmetros
será feito experimentalmente de forma a obter
um desempenho adequado. Futuramente será
testado a comunicação via wireless para a
transmissão de dados.
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