24º Congresso Nacional de Transporte Aquaviário, Construção Naval e Offshore

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1 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

2 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 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. 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. 2

3 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 EM- 406A 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 m ou 7.62 com WAAS; Suporta WAAS no modo padrão; partida quente: 1s; partida morna: 38 s; (a) Sinal do acelerômetro para cada eixo. partida frio: 42 s; baud rate de 4800; 3

4 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

5 (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 º S e longitude º W e os valores obtidos pelo GPS são: latitude º S e º 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

6 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. Referências Bibliográficas [1] A. Alvarez, A. Ca_az, A. Caiti, G. Chenasalino, L. Gualdesi, A. Turetta, R. Viviani, Fòlaga: A lowcostautonomousunderwatervehiclecombininggli derandauvcapabilities, OceanEngineering 36 (2009) [2] I. Masmitja, G. Masmitja, J. Gonzalez,S. Shariat-Panahi, S. Gomariz,Development of a control system foran autonomous underwater vehicle, in:autonomous Underwater Vehicle, 2010IEEE/OES,

7 [3] J. Byron, R. Tyce, Designing a vertical/horizontal auv for deep ocean sampling,in: Proc. OCEANS 2007, 2007, pp doi: /OCEANS Science, OCEANS Conference - OCEANS, 1993 [4] J.-Y. Park, B. huan Jun, P. mook Lee,J. Oh, Experiments on vision guided dockingof an autonomous underwater vehicleusing one camera, Ocean Engineering 36 (2009) doi:doi: /j.oceaneng [5] M. Caccia, Vision-based slam for rovs:preliminary experimental results, in:mcmc th IFAC Conference onmanoeuvring and Control of Marine Craft, [6] T. I. Fossen, Guidance and control ofocean vehicles, John Wiley & Sons, West Sussex- England, [7] A. A. Prado, Metodologia experimentalpara obtenção dos parâmetros hidrodinâmicos do VsntJahu II, baseado em processamento de imagens, Mestrado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, POLI/USP (2008). [8] A. Ross, T. I. Fossen, T. A. Johansen,Determination of underwater vehicle hydrodynamiccoeficients using free decaytests, in: Proc. of the IFAC CAMS'04,IFAC CAMS, [9] J. C. Evans, K. M. Keller, J. S. Smith,P. Marty, O. V. Rigaud, Docking techniquesand evaluation trials of the swimmerauv: an autonomous deploymentauv for work-class rovs, in: Proc.MTS/IEEE Conf OCEANS and Exhibition, Vol. 1, 2001, pp doi: /oceans [10] J. Evans, Y. Petillot, P. Redmond, M. Wilson, D. Lane, Autotracker: Auv embedded control architecture for autonomouspipeline and cable tracking, in: Proc. OCEANS 2003, Vol. 5, 2003, pp. 2651{2658. doi: /oceans [11] M. S. Wallace Bessa, Controlling the dynamicpositioning of a rov, in: Proc.OCEANS 2003, Vol. 2, doi: /oceans [12] Mark R. Chaffey, Andrew Pearce, Robert Herlien, Distributed Data and Computing System on an ROV,Designed for Ocean 7

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