System Concept. ACM1 Instrumentação de Tanque Equipa: over F low. Sistemas de Engenharia Automação e Instrumentação

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1 Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores ACM1 Instrumentação de Tanque Equipa: over F low Sistemas de Engenharia Automação e Instrumentação André dos Santos Oliveira Bernardo Miguel Carvalho Silva Bruno Miguel Fernandes Augusto Diana Marina de Sousa Neves Fátima Cristina Oliveira Airosa Filipe dos Santos Teixeira Flávio Jorge Rodrigues de Amorim Henrique Luís dos Santos Pinto Miguel Freire Pimentel Morais Rui Miguel Jordão Xavier Outubro de 2014 Versão 1.0

2 Controlo de Versões do Documento Versão Data Descrição Autores /10/2014 Criação de template preliminar AO /10/2014 Introdução e estruturação do documento BA /10/2014 Escrita de módulos do sistema Equipa F /10/2014 Auditoria RX 2

3 Índice 1 Introdução Objetivos Metodologia Estrutura Esquema dos módulos do sistema Sistema Central Interface Gráfica Histórico Comando / Controlo Comunicação Arduino Computador Perturbações aquáticas Plataforma mecânica Motores Sensorização Estrutura Mecânica Sensores força e velocidade Circuito de Aquisição e Processamento Localização à superfície Câmara Tags Processamento de Imagem Localização subaquática Transdutores Transponder Sensor de Pressão System Breakdown Structure

4 1 Introdução 1.1 Objetivos O presente documento tem como objetivo demonstrar e apresentar os módulos que a equipa pretende desenvolver ao longo do projeto. Foi criado com o intuito de poder mostrar ao cliente a solução que se pretende implementar de forma a este poder verificar e validar se está de acordo com as suas necessidades. 1.2 Metodologia Para a criação deste documento foi realizado um pequeno brainstorming de como deveria ser o sistema central que vai unir as quatro partes do trabalho e a partir daí cada subequipa apontou as especificações do seu subsistema. 1.3 Estrutura O documento foi então organizado de forma hierárquica sendo que primeiro é apresentado uma figura representativa do conceito de sistema proposto, de seguida é feita uma breve descrição sobre todos os componentes que o compõe e por último é apresentado o System BreakDown Structure (SBS) do projeto. 4

5 2 2.1 Esquema dos módulos do sistema Figura 1 - Conceito de Sistema proposto 2.2 Sistema Central Interface Gráfica Neste módulo serão apresentados dados ao utilizador. Dentro dos dados a apresentar encontram-se a posição do objetos no tanque, a posição do submarino no tanque, a velocidade dos motores, as forças exercidas pelo submarino e a velocidade dos fluxos, entre outros dados que o cliente possa requerer Histórico Este módulo estará integrado com a interface e irá fazer o arquivo dos dados que vão sendo guardados ao longo do tempo sobre as variáveis do sistema. Deve ser possível traçar diagramas temporais com base nos históricos guardados. 5

6 2.2.3 Comando / Controlo No módulo de comando o objetivo será, a partir dos valores introduzidos na interface gráfica, colocar os motores a rodar a uma determinada velocidade. Os desafios serão neste caso transformar o valor requerido pelo utilizador num valor que seja aceite pela drive dos motores e conseguir criar um sistema que funcione com os vários motores quando a perturbação requerida for de maior grau Comunicação Para integrar a interface com o controlo e os módulos que recebem/enviam dados foi criado este módulo de comunicação que tratará de todas as comunicações e da forma com que estas vão ser realizadas entre os diversos equipamentos Arduino Para realizar o processamento de dados foi escolhido o microcontrolador Arduino devido ao seu reduzido preço e facilidade de integração e programação. É suposto que este seja o centro de recolha de todos os sensores e também controle algumas variáveis do sistema, tal como os motores Computador O computador a utilizar terá de possuir um bom desempenho para correr o software que realizará o processamento da imagem e além disso mostrar a interface gráfica e comunicar com o arduino. 6

7 2.3 Perturbações aquáticas Plataforma mecânica Estrutura desenhada com objetivo interligar as áreas de Perturbações aquáticas e Sensorização a fim de aproximar as condições de trabalho em sistema aberto, minimizando erros de leitura de variáveis de interesse. Verá a sua existência concretizada por uma construção capaz de suportar os motores (criação de fluxo), os sensores (medição de forças e velocidades) bem como a estrutura responsável pela orientação e estabilização da massa de água movimentada pelos motores Motores A criação de perturbações ficará a cargo de motores DC de intensidade variável. A potência dos mesmos é de 1cv e a alimentação é de 12v. Tendo os motores uma gama de trabalho mutável é-nos permitida a execução de diversas experiências com fim de aproximar fluxos de água artificiais, criados pelos mesmos, a caudais naturais. 7

8 2.4 Sensorização Neste capítulo pretende-se adquirir a força que o impacto da água causa sobre um objeto e a velocidade do fluxo de água segundo os eixos das abcissas (x) e das ordenadas (y). Para ser possível obter essas grandezas subdivide-se o sistema em quatro partes distintas. A primeira tem como foco a estrutura mecânica de fixação dos sensores a usar. Esta tem de ser rígida e imóvel, por forma a possibilitar aos sensores um melhor desempenho da sua função. A segunda parte prende-se com a escolha dos sensores a utilizar, uma vez que devem possuir características concordantes com as especificações do cliente. A terceira é referente à aquisição de sinal, a qual possibilita a conversão dos sinais medidos pelos sensores em valores numéricos interpretáveis como grandezas físicas Estrutura Mecânica A estrutura mecânica de fixação tem de ser projetada por forma a suportar não só o objeto a medir, mas também as forças que sobre ele atuam. Além disso, esta tem de ser dimensionada por forma a ser expansível, flexível e desacoplável para outras aplicações. Deste modo, tanto pode alojar os sensores de força e de velocidade como também outros sensores, tais como: sensores de temperatura e outros que possam ser do interesse do cliente em aplicações futuras. Inicialmente a estrutura é projetada em SolidWorks, tendo em atenção duas dimensões diferentes: as do tanque e as dos sensores a instalar. É de notar que esta deve possibilitar a movimentação do objeto segundo a vertical, por forma a permitir a realização de tes tes com objetos distintos. Contudo, há também que ter em consideração as necessidades do cliente no que respeita à acessibilidade ao local, uma vez que uma estrutura mecânica com tais proporções pode causar graves danos, tanto no equipamento, como nos operadores da mesma. Para o efeito, é necessário pensar de forma atenta e ponderada na escolha dos materiais a utilizar na estrutura e nas simulações de movimentação e de funcionamento Sensores força e velocidade Conforme mencionado anteriormente, os sensores têm de ser escolhidos de acordo com todas as caraterísticas especificadas pelo cliente. É também importante referir que o sensor de força (célula de carga) deve possuir duas zonas de fixação: uma para a estrutura mecânica e outra para a(s) barra(s) de interligação, permitindo assim uma medição indireta das forças exercidas no objeto. No que toca ao sensor de velocidade da água, este consiste numa solução mecânica do tipo paddle wheel que, como está submersa, tem obrigatoriamente que possuir um bom isolamento elétrico. Este tipo de sensor permite determinar a velocidade do fluxo de água 8

9 através de um rotor, cujo movimento é convertido em impulsos de tensão a partir de um sensor de efeito de Hall Circuito de Aquisição e Processamento O circuito de aquisição tem de ser pensado para o propósito de fornecer a alimentação necessária para o bom funcionamento dos sensores já descritos. Para além disso, também deve ter a capacidade de medir os sinais elétricos resultantes da aplicação de uma força e/ou de uma velocidade e de os processar, convertendo-os em valores representativos das unidades SI de força (N newton) e de velocidade (m/s metros por segundo). De seguida, estes valores são representados numa interface na plataforma de monitorização. É interessante referenciar que o circuito de aquisição tem por base a utilização de um Arduino, uma vez que este dispõe de diversas entradas analógicas programáveis e de um conversor ADC para múltiplos canais, permitindo assim uma fácil integração e programação por um custo reduzido. 9

10 2.5 Localização à superfície O sistema de localização à superfície consistirá num equipamento de aquisição de dados visuais e respetivo processamento por forma a determinar as coordenadas da embarcação detetada. Esta terá identificadores visuais por forma a ser inequivocamente identificada Câmara O método de aquisição de sinal para a localização à superfície consistirá numa câmara de vídeo já disponível no laboratório, evitando-se, desta forma, despesas adicionais. A mesma é alimentada diretamente pelo Computador, através de um terminal USB que, simultaneamente, permite a transferência das imagens captadas. A objetiva tem uma amplitude angular de 120º, sendo capaz de captar visualmente a quase totalidade do tanque. Tem ainda a possibilidade de rodar 360º, característica que poderá ser utilizada caso se verifique necessário captar a totalidade da superfície do tanque ou mesmo para melhorar a precisão do sistema pela aquisição de imagens mais aproximadas e um algoritmo de controlo da rotação da câmara para seguir a embarcação Tags Por forma a diferenciar a embarcação, cuja localização se pretende determinar, do ambiente e ruído, esta será marcada com uma etiqueta visual (tag) que essencialmente consistirá num material autocolante com uma ou mais cores visualmente distintas e facilmente identificáveis de forma inequívoca. Obviamente que terão de ser resistentes à água e terão de ser capazes de se fixarem à embarcação. Idealmente serão colocadas, pelo menos, duas tags distintas na embarcação e, desta forma, determinar a orientação da mesma será relativamente simples Processamento de Imagem O processamento de imagem será realizado com recurso ao MATLAB e consistirá numa sequência de operações matriciais aplicadas à imagem original. Estas operações irão desde filtragem para eliminação de ruído e transformação de perspetiva até à limitação de níveis de cor, ajuste de luminosidade, etiquetagem e seleção de regiões de interesse e implementação de algoritmos de seguimento da embarcação. Dada a dimensão das imagens e a complexidade das operações, o seu processamento exigirá uma grande capacidade de processamento. É por este motivo que este sistema será processado diretamente no computador, ao contrário dos outros módulos que recorrerão ao microprocessador do Arduino. 10

11 2.6 Localização subaquática Transdutores Iremos utilizar um conjunto de 3 transdutores à superfície formando entre si um ângulo reto e separados por cerca de 10cm. Um destes irá transmitir um sinal acústico que vai ser detetado pelo transponder no veículo que, por sua vez, irá responder com um outro sinal. Esta resposta irá depois ser detetada pelos 3 transductores e servirá para calcular a posição Transponder Iremos colocar um transponder (abreviação de transmitter-responder) no veículo para receber o sinal enviado pelo transdutor e, aquando dessa receção, responder de imediato enviando um outro sinal Sensor de Pressão O uso de um sensor de pressão irá permitir-nos calcular a profundidade a que se encontra o veículo pois existe uma relação conhecida entre a pressão e a profundidade na água. 11

12 3 System Breakdown Structure O System Breakdown Structure (SBS) é uma decomposição hierárquica do trabalho a ser executado pela equipa do projeto, para que sejam atingidos os objetivos e concebidos os requisitos propostos inicialmente. O SBS organiza e define tudo o que é importante para o projeto e subdivide o trabalho em blocos mais pequenos e maleáveis para que estes possam ser trabalhados com mais pormenor. Cada subnível descendente do SBS significa um maior nível de detalhe do trabalho a ser desenvolvido durante o ciclo de vida do projeto. No nosso caso decidimos dividir o SBS em duas categorias (denominadas de processos e de produtos) e depois em subníveis mais detalhados para cada uma das categorias. Figura 2 - SBS completo da Instrumentação do Tanque Na secção dos produtos do SBS podemos ver que dividimos em cinco blocos: Figura 3 - SBS - Produtos 12

13 - São descritos nestes quatro pontos quais os componentes a usar em cada um deles: Localização à Superfície Localização Subaquática Sensorização Perturbações Sistema Central: como vai ser efetuada a comunicação, interface e alimentação de todo o sistema. Numa segunda secção detemos os blocos dos processos que se encontram repartidos em quatros: Figura 4 -SBS: Processos - Análise de Requisitos: levantamento dos requisitos necessários à conceção de todo o projeto; - Processo de Conceção: métodos de desenvolvimento das soluções encontradas; - Processo de Implementação: todas as implementações e testes que podem ser necessários de serem efetuados; - Documentação: registo de todas as etapas efetuadas durante todo o projeto. 13