Controle de Capotagem e Deslizamento de Sistemas Robóticos Móveis em Terrenos Acidentados

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1 Auderi Viente Santos Controle de Capotagem e Deslizamento de Sistemas Robótios Móveis em Terrenos Aidentados Dissertação de Mestrado Dissertação apretada omo requisito parial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Meânia da PUC-Rio. Orientador: Prof. Maro Antônio Meggiolaro Rio de Janeiro Maio de 007

2 Auderi Viente Santos Controle de Capotagem e Deslizamento de Sistemas Robótios Móveis em Terrenos Aidentados Dissertação apretada omo requisito parial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós- Graduação em Engenharia Meânia da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. Maro Antonio Meggiolaro Orientador PUC-Rio Prof. Mauro Speranza PUC-Rio Prof. Fernando Cesar Lizarralde COPPE/UFRJ Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro Ténio Científio - PUC-Rio Rio de Janeiro, de Maio de 007

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. Auderi Viente Santos Graduou-se em Engenharia Elétria na Pontifíia Universidade Católia do Rio de Janeiro em 00. Santos, Auderi Viente Fiha Catalográfia Controle de apotagem e deslizamento de sistemas robótios móveis em terrenos aidentasos / Auderi Viente Santos ; orientador: Maro Antonio Meggiolaro f. : il. al. ; 30 m Dissertação Mestrado em Engenharia Meânia Pontifíia Universidade Católia do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 007. Inlui bibliografia CDD: 6

4 À minha mãe, pelo inentivo onstante, em todos os desafios e espeialmente durante a realização deste urso, porque ela, omo sempre, perebeu antes mesmo de mim, o quanto seria importante esta onquista.

5 Agradeimentos À minha família e minha namorada, por ompreender minha ausênia no onvívio. A todos os amigos e familiares que inentivaram e ajudaram. Ao orientador Maro Antonio Meggiolaro e aos amigos Alexandre Franiso Barral, Pedro Eduardo Gonzales Panta e Roberto Maia. Ao Centro de Pesquisa da Petrobras - CENPES, por failitar a onlusão deste trabalho.

6 Resumo Santos, Auderi Viente. Controle de Capotagem e Deslizamento de Sistemas Robótios Móveis em Terrenos Aidentados. Rio de Janeiro - RJ, p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Meânia, Pontifíia Universidade Católia do Rio de Janeiro. O uso de robôs móveis para monitorar loais inaessíveis vem se tornando ada vez mais omum. Essas operações podem ser autônomas ou tripuladas e quando são feitas em terrenos irregulares é preiso garantir segurança na missão, pois muitas das vezes o resgate se torna inviável. O robô estudado nesta dissertação terá difiuldades para loomoção em ertas loalidades, omo por exemplo: derrapagem em regiões alagadas, vener atoleiro em regiões pantanosas e de brejos e apotagem nas regiões que apretam alives e delives. Diante deste quadro de problemas apretados, garantir a estabilidade nas regiões de ladeiras é de grande valor nas operações, sejam elas tele-operadas ou autônomas. Visando ontribuir para o suesso da loomoção do robô, esta dissertação apreta uma ténia de ontrole de estabilidade de um robô móvel para soreamento remoto em terrenos irregulares, inluindo projeto, simulação e onstrução de um protótipo funional. Este ontrole visa garantir que as rodas do veíulo não desolem do terreno, através da atuação nas forças de atrito entre as rodas e o solo variando os torques nos seus motores. Palavras-have Robôs móveis; ontrole de estabilidade; terrenos irregulares.

7 Abstrat Santos, Auderi Viente. Tip Over and Slippage Control of Mobile Roboti Systems over Rough Terrain. Rio de Janeiro - RJ, p. M.S. Thesis Mehanial Engineering Department, Pontifial Catholi University of Rio de Janeiro. The use of mobile robots to monitor non-aessible environments has beome inreasingly ommon in the reent years. These tasks an be either autonomous, remote-ontrolled, or pasger-operated. When performed in rough terrain, it is neessary to guarantee mission safety, sine many times it is impossible to d a resue party for reovery. The hybrid environmental robot preted in this thesis is a mobile robot that will fae very hallenging onditions, avoiding e.g. slippage in wet terrain, beoming trapped in muddy soil, and tipping over in regions with high slopes. Therefore, it is a hallenging task to guarantee robot stability under suh irumstanes, either in autonomous or operated tasks. This thesis prets a stability ontrol methodology for a mobile robot to perform remote sing tasks in rough terrain. The model-based tehnique guarantees wheel-ground ontat at all times, ating individually at the wheel motors to ontrol the tration/frition fores. This work also addresses the design, simulation and onstrution aspets of a funtional prototype of a mobile robot to validate the proposed approah. Keywords Mobile Robots; Stability Control; Rough Terrain.

8 Sumário Introdução 4.. Revisão Bibliográfia 4.. Robôs Móveis 5.3. Objetivo 8.4. Robô Ambiental Híbrido Caraterístias do Projeto 9.5. Organização da dissertação Modelagem do veíulo 3.. Cinemátia 3.. Dinâmia 6... Equação das restrições 9.3. Sistema de Equações Resultante 33 3 Controle de Estabilidade Problemas de Instabilidade Desrição do Algoritmo de Controle de Estabilidade 43 4 Simulações Modelagem do terreno Desrição do Algoritmo Utilizado na Simulação Algoritmo de Ajuste 55 5 Resultados das Simulações Parâmetros Iniiais Utilizados na Simulação Perfil do Terreno Análise Quantitativa Simulação sem Controle de Estabilidade Simulação om Controle de Estabilidade 67

9 6 Experimentos Construção do primeiro protótipo Teste om o primeiro protótipo Construção do segundo protótipo Testes om o segundo protótipo 8 7 Conlusões e Perspetiva Contribuição desta dissertação Sugestões para trabalhos futuros 85 8 Bibliografia 86 9 Apêndie A Amazônia Indústria do Petróleo e Gás no Amazonas Gasoduto Coari Manaus Risos Ambientais da Indústria do Petróleo e Gás Projeto PIATAM Proposta do Laboratório de Robótia do CENPES 97 0 Apêndie B 99

10 Lista de figuras Figura Robô Sojourner. 5 Figura Robô andante para ortar madeira. 6 Figura 3 - Robô Pioneer [6], projetado para fazer exploração em áreas radioativas. 7 Figura 4 Robô Ambiental Híbrido - Chio Mendes. 8 Figura 5 Parâmetros geométrios do veíulo. 3 Figura 6 Ângulo de inlinação do veíulo. 4 Figura 7 Forças atuando no sistema. 7 Figura 8 Ângulos de ontato das rodas om o perfil do terreno. 8 Figura 9 Vetor normal ao terreno em direção ao entro da roda. 9 Figura 0 Ângulos de ontato e igual ao ângulo de inlinação do veíulo. 3 Figura Controle de Torque Computado. 35 Figura Projeções dos entros de massa na horizontal. 36 Figura 3 Domínio das forças de atrito limitadas pela força de saturação dos motores e as forças normais. 4 Figura 4 Região { } D = Fat, Fat que pertene ao onjunto solução do problema de estabilidade. 4 Figura 5 Fluxograma do Controle 45 Figura 6 Disretização do perfil do terreno. 46 Figura 7 Trajetória seguida pelos eixos das rodas. 47 Figura 8 Curva de entro. 47 Figura 9 Ponto do perfil do terreno não difereniável. 49 Figura 0 - Situação onde existe dois pontos de ontato da roda om o terreno. 50 Figura - Situação onde o raio de urvatura do perfil do terreno é menor que o raio da roda. 5 Figura Ajuste da urva de entro para simulação. 56 Figura 3 Fluxograma que demonstra o algoritmo utilizado nas simulações. 58 Figura 4 - Deho em Solidworks do segundo protótipo. 59 Figura 5 - Relação da F SAT om o torque máximo permitido pelo motor. 6

11 Figura 6 Perfil oidal om inlinação de 39 graus. 6 Figura 7 Forças Normais para perfil oidal sem ontrole. 63 Figura 8 Razão Fi para perfil oidal sem ontrole. 63 N i Figura 9 Aproveitamento das forças no sistema para perfil oidal sem ontrole. 64 Figura 30 - Forças de atrito para perfil oidal sem ontrole. 64 Figura 3 Terreno pouo aidentado. 65 Figura 3 - Forças Normais para terreno pouo aidentado sem ontrole. 65 Figura 33 - Razão Fi para terreno pouo aidentado sem ontrole. 66 N i Figura 34 Aproveitamento das forças no sistema para terreno pouo aidentado sem ontrole. 67 Figura 35 Forças de atrito para terreno pouo aidentado sem ontrole. 67 Figura 36 - Forças Normais para perfil oidal om ontrole. 68 Figura 37 - Razão Fi para perfil oidal om ontrole. 69 N i Figura 38 - Forças de atrito para perfil oidal om ontrole. 69 Figura 39 - Forças Normais para terreno pouo aidentado om ontrole. 70 Figura 40 - Razão Fi para terreno pouo aidentado om ontrole. 7 N i Figura 4 - Forças de atrito para terreno pouo aidentado om ontrole. 7 Figura 4 Terreno pouo aidentado om µ variável. 7 Figura 43 Normais em terreno pouo aidentado om µ variável om ontrole.73 Figura 44 Razão Fi N i em terreno pouo aidentado om µ variável om ontrole. 73 Figura 45 Forças de atrito em terreno pouo aidentado om µ variável om ontrole. 74 Figura 46 Terreno aidentado om ontrole de veloidade e de estabilidade. 74 Figura 47 Veloidade ao longo do tempo para perfil aidentado om ontrole. 75 Figura 48 Normais para perfil aidentado om ontrole. 76

12 Fi Figura 49 Razão para perfil aidentado om ontrole. 76 N i Figura 50 Forças de atrito para perfil aidentado om ontrole. 77 Figura 5 Primeiro Protótipo do Robô Ambiental Híbrido. 79 Figura 5 Condição real de apotagem I. 80 Figura 53 - Condição real de apotagem II. 80 Figura 54 Segundo protótipo do Robô Ambiental Híbrido do testado no CENPES. 8 Figura 55 - Teste no CENPES II em situação de delive, parte I. 8 Figura 56 - Teste no CENPES II em situação de delive, parte II. 8 Figura 57 - Teste no CENPES II em situação de delive, parte III. 83 Figura 58 Floresta Amazônia. 87 Figura 59 Primeiros trabalhadores da Petrobras na Amazônia. 88 Figura 60 Base de Uruu. 89 Figura 6 Vista aérea da Refinaria Isaa Sabbá UM-Reman. 89 Figura 6 - Unidade de Proessamento de Gás Natural UPGN. 90 Figura 63 - Transporte de GLP Gás Liquefeito de Petróleo. 9 Figura 64 - Gasoduto Coari Manaus. 9 Figura 65 - Derramamento de óleo em ambientes aquátios. 95 Figura 66 - Exursão do Projeto PIATAM em Setembro de Figura 67 - Pesquisadores do INPA e da UFAM oletando amostras na Exursão do PIATAM. 97 Figura 68 - Difiuldades e perigo enontrado pelos pesquisadores em se loomover. 98 Figura 69 - Primeiro teste na Amazônia do Robô Ambiental Híbrido. 00 Figura 70 - Teste no Lago Preto Manaapuru. 00 Figura 7 - Teste na Costa do Paratari Manaapuru. 0 Figura 7 - Teste no Lago Preto Manaapuru. 0 Figura 73 - Teste no Paraná do Iauara Manaapuru. 0 Figura 74 - Teste na osta do Matrinxã Codojás. 03 Figura 75 - Teste no Lago Coari Coari. 04 Figura 76 - Robô do oloado na água pelo aminhão munk. 04 Figura 77 - Teste na Ilha do Baixio Iranduba 05

13 Figura 78 - Teste na Ilha do Baixio Iranduba. 06 Figura 79 - Teste na Ilha do Baixio Iranduba. 06 Figura 80 - Palestra na Esola Muniipal Getúlio Vargas Manaapuru. 07 Figura 8 - Teste aompanhado pela omunidade. 08 Figura 8 - Teste no Lago do Tamanduá Manaapuru. 08

14 Introdução 4 Introdução Esta dissertação estuda um ontrole de apotagem e deslizamento de sistemas robótios móveis em terrenos aidentados. Este ontrole é apliado a um veíulo espeialmente devolvido para uso na Amazônia, apaz de se desloar nos mais variados tipos de superfíie: água, terra, pântano, et. Este veíulo poderá ser tripulado, semi-autônomo ou tele-operado, viabilizando o trabalho dos profissionais em loais hoje inaessíveis e fazendo um rigoroso monitoramento ambiental. Em paralelo ao rete interesse da soiedade por atividades de monitoramento e preservação ambiental, aliadas a projetos de mitigação e pronto ombate a situações de ontingênia, a Petrobras através de seus vários órgãos vem devolvendo estudos e projetos espeífios para a Amazônia Brasileira, mormente nas áreas onde serão instaladas o gasoduto Coari - Manaus... Revisão Bibliográfia Dentre os trabalhos que abordaram o problema de instabilidade onvém destaar as soluções propostas por Iagnemma [] e Papadopoulos []. A análise devolvida por ambos onsiderou o sistema omo do quase-estátio, devido as baixas veloidades dos veíulos modelados. Porém os dois autores itados soluionam este problema de maneiras distintas as apretadas nesta dissertação. O primeiro autor garantiu a estabilidade do robô móvel através da reonfiguração geométria do veíulo que permitia atuar nas artiulações para variar o entro de gravidade. O outro apenas mensurava a margem de estabilidade que o veíulo pode trabalhar om segurança. Entretanto este trabalho oferee um novo oneito para vener situações de apotagem, através de um ontrole que atua diretamente no torque das rodas do robô, influeniando a dinâmia do sistema de modo a não permitir que as rodas se desolem do terreno.

15 Introdução 5 A análise dinâmia feita nesta dissertação, parte do estudo do ontrole de tração realizado por Silva [3], uja modelagem foi feita em D... Robôs Móveis O uso de robôs móveis vem se tornando ada vez mais omum, seja failitando o trabalho humano ou muitas das vezes substituindo-o em operações onde existe riso de vida. A área da robótia que se oupa de meanismos que se movimentam de forma autônoma tem onquistado um grande destaque na omunidade ientífia por apretar grande apliação nas mais variadas situações, otidianas ou espeiais. Um aso extremo desta apliação são as missões de exploração de ambientes não estruturados, omo por exemplo, a do robô Sojourner Fig. que explorou o planeta Marte em 997 [4]. Figura Robô Sojourner. O aompanhamento do homem nestas operações é de grande valor, entretanto, muitas das vezes deisões preisam ser tomadas de maneira autônoma para não oloar a missão em situação de riso. Portanto se faz neessário dotar estes robôs om apaidade de tir, proessar e esolher de maneira segura e otimizada seus movimentos.

16 Introdução 6 Em muitas operações os robôs servem para auxiliar o homem em loais que apretam perigo de loomoção, onduzindo-o nestas regiões e garantindo assim sua integridade. Nos trabalhos tripulados, os robôs são dirigidos pelo homem, fiando ao robô apenas a autonomia para oordenar seus meanismos de loomoção. A Fig. ilustra esta situação em que robô preisa distribuir ordenadamente o movimento de seus apoios [5]. Figura Robô andante para ortar madeira. Também existem situações onde a permanênia do homem no ambiente de operação já o oloa em posição perigosa. É o aso de ambientes que apretam sinais radioativos e esta emissão invisível de energia afasta a possibilidade de aompanhamento humano nas missões. Nestes sítios, a ontribuição humana é feita através de tele-operação, omo apreta a Fig. 3.

17 Introdução 7 Figura 3 - Robô Pioneer [6], projetado para fazer exploração em áreas radioativas. Nas situações que utilizam a tele-operação, o ser humano mantém só o ontrole parial do sistema, enquanto o robô preisa de erta autonomia para tomar suas próprias deisões e não oloar a missão em riso. As atitudes que o robô possa vir a tomar dependem do seu algoritmo de ontrole, que por sua vez preisa garantir a estabilidade, melhorar o desempenho, minimizar o onsumo de energia e garantir a segurança operaional. Como resultado da omplexidade destes robôs apretados, o estudo dos robôs móveis aaba do uma área multidisiplinar. Nesta dissertação dá-se espeial ênfase para a análise dinâmia de um robô móvel espeífio Robô Ambiental Híbrido - Chio Mendes, que realiza missões em região de floresta alagada, que é mais bem detalhado na seção.5. e ilustrado na Fig.4.

18 Introdução 8 Figura 4 Robô Ambiental Híbrido - Chio Mendes. Este robô terá difiuldades para loomoção em ertas loalidades, omo por exemplo: derrapagem nas regiões alagadas, vener atoleiro nas regiões pantanosas e de brejos e apotagem nas regiões que apretam alives e delives. Diante deste quadro de problemas apretados, garantir a estabilidade nas regiões de ladeiras é de grande valor nas operações, sejam elas tele-operadas ou autônomas. Prourando ontribuir para soluionar estes problemas, esta dissertação apreta o estudo de um ontrole de estabilidade que busa garantir que as rodas do veíulo não desolem do terreno, através da atuação nas forças de atrito entre as rodas e o solo variando os torques nos seus motores..3. Objetivo O objetivo prinipal desta dissertação é o devolvimento das ténias de ontrole de apotagem e deslizamento de um robô móvel, inluindo projeto, simulação e onstrução de um protótipo funional. Este ontrole visa garantir a loomoção do robô em terrenos irregulares e inlinados, evitando apotagem e ajudando nas tomadas de deisão e até não aeitando a trajetória omandada se esta lhe ofereer um obstáulo não superável.

19 Introdução 9 Diante das ondições enontradas, a estabilidade do veíulo passou a ser um fator fundamental, e um ontrole efiaz garantirá segurança nas operações onde o resgate muitas vezes se torna inviável..4. Robô Ambiental Híbrido Dentro da estratégia de devolvimento de atividades na Amazônia, a Petrobras e o Centro de Pesquisas CENPES sempre deram espeial atenção ao meio ambiente e aos possíveis impatos ausados por sua atividade na bela e desafiadora região amazônia. Este item pretende apretar a proposta do Laboratório de Robótia do CENPES para monitoramento ambiental na região onde está do onstruído o gasoduto Coari Manaus..4.. Caraterístias do Projeto Em se tratando de enários muitas vezes desonheidos e de omportamento imprevisível, a estratégia adotada pelo Laboratório de Robótia do CENPES foi, primeiramente, dar ondições para que o homem onsiga penetrar um pouo mais em tais regiões de forma segura e lá oletar suas impressões das variáveis de interesse. Depois de experimentar, viveniar e onheer um pouo melhor as araterístias do eo-sistema, pretende-se devolver de forma gradativa sistemas híbridos, semi-autônomos ou até mesmo autônomos para serem operados e monitorados à distânia. Tal veíulo deve possuir elementos a bordo, que o faça ser apaz de reonheer e se adaptar aos diferentes tipos de solo, desviar de obstáulos, enontrar trajetória entre pontos iniial e final de uma dada exursão, reeber e umprir ordens enviadas remotamente, entre outras. Para isso deve dispor de um onjunto de sistemas meânios, elétrios, eletrônios, omputaionais, de soriamento e de omuniação que seja um auxílio de grande vantagem para o homem, que possa realizar tarefas préprogramadas ou em tempo real, om a supervisão humana ou de forma autônoma.

20 Introdução 0 Visando aumentar ainda mais sua apaidade de desloamento, o veíulo será dotado de ontrole de direção e tido que serão atendidos por atuação oordenada das trações independentes quatro motores om redução em ada roda. O robô também terá um sistema de suspensão independente e variável que permite mudar o ângulo de ataque das rodas om o solo, failitando a superação de obstáulos. As rodas servirão omo flutuadores para que o robô possa perorrer lagos e igarapés oletando dados e amostras. O sistema de visão, omposto por âmeras de vídeo, é ferramenta fundamental de auxílio ao sistema de navegação, podendo servir também para determinar a preça de obstáulos e fazer o reonheimento do meio ambiente, possibilitando planejamento de trajetória. Sensores de proximidade serão utilizados para anteipação de olisão. O sistema de navegação é omposto por sores de atitudes aelerômetros e girosópio e sistema de posiionamento global GPS, permitindo saber suas oordenadas geográfias e aompanhar passo a passo seu movimento. Uma base de ontrole dotada de sistema de rádio, para enviar ordens e esolher a missão que será exeutada pelo veíulo e reeber as informações que estarão do oletadas, servirá de apoio a toda operação em ampo. Manipuladores e estas de guarda estarão disponíveis para oleta de materiais de interesse, e aessíveis por tele-operação em tempo real, devendo funionar de forma integrada preservando as amostras, que serão armazenadas onforme as normas para análise posterior em laboratório. Por este motivo os sistemas devolvidos busam ser ousados e inovadores, mas também simples e pouo invasivos. Todas as funções do robô loomoção, monitoramento, oleta, et. utilizarão energia elétria, por esta ser renovável e mais limpa que outras fontes de energia. Para este propósito, um onjunto de baterias de alta performane assoiado a élulas fotovoltaias serão empregados. Apesar de umprir os requisitos neessários para exeutar as missões espeifiadas do veíulo de forma aeitável, a utilização de baterias limita sua autonomia, do neessário que este retorne à base, para rearregar essas baterias no final de ada operação. Este tempo de missão a prinípio é de três horas em média.

21 Introdução Como a extensão do gasoduto é de aproximadamente 400 km, era de 00 bases serão onstruídas ao longo do seu urso, funionando omo pontos de rearga e manutenção dos robôs. Os robôs em operação na Amazônia irão trabalhar muitas vezes de forma oordenada, podendo ada um realizar pequenas tarefas de uma operação omplexa. Sensores de ph, oxigênio dissolvido, temperatura, ondutividade, salinidade e hidroarbonetos serão utilizados para monitorar as araterístias das águas dos rios da região. Estas informações serão disponibilizadas para a omunidade loal e aadêmia envolvida neste proesso, elaborando relatórios ofiiais respaldando as operações da indústria do petróleo nesta região. Os trabalhos serão feitos om base em dados já levantados nos loais por grupos de estudo de Universidades e outros Centros de Pesquisa em projetos já existentes omo: PIATAM, PIATAM - II, Cognitus, e outros. Busando reonheer o trabalho e a disposição em devolver de maneira sustentável a região da Amazônia brasileira, o Laboratório de Robótia batizou este projeto de: Robô Ambiental Híbrido - Chio Mendes. Esta singela homenagem foi feita em erimônia no CENPES, ontando om a preça e ontimento da família na preça de sua filha..5. Organização da dissertação Esta dissertação está organizada na seguinte forma: O apítulo desreve a modelagem inemátia e dinâmia do sistema apretado, busando detalhar as equações de restrição e algumas onsiderações que foram feitas a partir das equações enontradas; O apítulo 3 apreta o ontrole de estabilidade proposto, desrevendo o algoritmo utilizado; O apítulo 4 apreta simulações que ilustram e indagam os métodos propostos, desrevendo o algoritmo utilizado na simulação. O apítulo 5 apreta resultados das simulações apretando os perfis de terrenos utilizados e mostrando grafiamente o resultado deste trabalho;

22 Introdução O apítulo 6 apreta o proesso de onstrução do robô modelado, detalhando suas araterístias e apretando suas difiuldades em relação à estabilidade; O apítulo 7 apreta onlusão sobre os métodos utilizados na dissertação e uma breve desrição sobre possíveis trabalhos futuros. O apêndie A Breve histório da indústria do petróleo e gás na Amazônia. O apêndie B - Detalhamento dos testes realizados na Amazônia.

23 Modelagem do veíulo 3 Modelagem do veíulo As equações inemátias e dinâmias analisadas neste apítulo onsideram o veíulo e o terreno omo um únio orpo rígido. O modelo utilizado é baseado na arquitetura do Robô Ambiental Híbrido, porém não onsiderando a possibilidade de ambagem das rodas. Sendo assim, não se pode reonfigurar os parâmetros geométrios do robô. O perfil do terreno, os parâmetros físios e geométrios e as variáveis de estado são dados de entrada para esta modelagem. Este ensaio foi feito sob uma análise D, já que serve omo base para trabalhos posteriores... Cinemátia A Fig. 5 espeifia os parâmetros geométrios relaionados à estrutura físia do veíulo. Figura 5 Parâmetros geométrios do veíulo.

24 Modelagem do veíulo 4 onde: x = oordenada x do entro de gravidade do veíulo. y = oordenada y do entro de gravidade do veíulo. x i = oordenada x do entro geométrio da roda i. y i = oordenada y do entro geométrio da roda i. h i = distânia vertial do entro geométrio da roda i ao entro de massa. L i = a distânia longitudinal do entro geométrio da roda i ao entro de massa. Para ompletar a análise inemátia faz-se neessário definir o ângulo de inlinação do veíulo em relação a horizontal eixo x, que é mostrado na Fig. 6. Figura 6 Ângulo de inlinação do veíulo. A inemátia das rodas está determinada primeiramente pela sua posição em referênia ao entro de gravidade do veíulo. Considerou-se nestas operações que a loalização do entro de gravidade é previamente onheida. Assim, onsiderando os parâmetros da Fig. 5 e Fig. 6, obtém-se para as rodas do veíulo o seguinte sistema de equações:

25 Modelagem do veíulo 5 Roda : x = x L os h y = y L h os Roda : x = x L os h 3 y = y L h os 4 As equações aima podem ser repretadas matriialmente omo: x y x = y os L os h 5 x y x = y os L os h 6 As veloidades dos entros geométrio das rodas são enontradas derivando, em relação ao tempo, as equações,, 3 e 4. Assim, obtém-se: Roda : x& = & os & x L 7 h y& = & os & y L h 8 Roda : x& = & os & x L 9 h y& = & os & y L h 0 As aelerações dos entros geométrio das rodas são enontradas derivando, em relação ao tempo, as equações 7, 8, 9 e 0.

26 Modelagem do veíulo 6 Assim, obtém-se: Roda : & x && && & = x L h os L os h & y && && & = y L os h L h os Roda : & x && && & 3 = x L h os L os h & y && && & 4 = y L os h L h os.. Dinâmia Para a análise dinâmia, foi utilizada a abordagem de Newton Euler, por resultar em uma obtenção direta das equações que regem o movimento, visto que o sistema onsiderado é formado por um únio orpo rígido. As equações de Newton Euler, para o aso D, são repretadas da seguinte forma: F = m. a M = I.& & Onde: gravidade. F = F i - somatório das forças atuando sobre o orpo. m - massa do orpo. a = [& x& ; & y& ] - vetor aeleração do entro de gravidade do veíulo. M = M i somatório dos momentos em relação ao entro de gravidade. I momento de inéria de rotação do veíulo em relação ao entro de & & = aeleração angular do orpo.

27 Modelagem do veíulo 7 Tendo omo hipótese que o ontato entre ada roda e o terreno se dá em um únio ponto, as forças relevantes atuando no sistema serão: as forças de atrito Fat, as forças normais N nas rodas, e o peso P do veíulo. A Fig. 7 mostra a atuação de ada uma destas forças. Figura 7 Forças atuando no sistema. Sendo: Fat i = Força de atrito estátio atuando na roda i do veíulo. N i = Força Normal atuando na roda i do veíulo. P = Peso do veíulo. A direção das forças de atrito está determinada pelos ângulos de ontato e, omo apretado na Fig. 8.

28 Modelagem do veíulo 8 Figura 8 Ângulos de ontato das rodas om o perfil do terreno. Desta forma, utilizando a abordagem de Newton Euler neste sistema, obtêm-se as seguintes equações: x x m F & & = os os N N Fat Fat x m = & & 5 y y m F & & = P N N Fat Fat y m = os os & & 6 = & & I M CG os os os os x x N y y N x x N y y N x x Fat y y Fat x x Fat y y Fat I = & & ] os [ ] os [ ] os [ ] os [ N x x y y N x x y y Fat x x y y Fat x x y y I = & & 7

29 Modelagem do veíulo 9 Assumindo-se que as forças de atrito são onheidas, as três equações aima, 5, 6 e 7, apretam ino inógnitas & x && y, N, N, & &,, resultando desta forma em um sistema om infinitas soluções. Para que o problema aprete uma únia solução é neessário que haja mais duas equações independentes, as quais são obtidas através da imposição das restrições desritas abaixo.... Equação das restrições As restrições impostas a este sistema são que as rodas do veíulo sempre devem estar em ontato om o terreno. Para satisfazer esta ondição, o entro geométrio das rodas, a ada instante, deve pertener a uma determinada urva que é gerada a partir do perfil do terreno. A esta urva é dado o nome de urva de entro, e a mesma é obtida da seguinte forma: a É alulada a normal à urva do perfil do terreno em ada um de seus pontos x, y, onde y = fx. b Tomando-se sobre esta normal um vetor om magnitude r raio da roda e origem em x, y, fia definido o ponto x, y omo ilustrado na Fig. 9. O onjunto formado pelos pontos x, y gera a urva de entro. Figura 9 Vetor normal ao terreno em direção ao entro da roda.

30 Modelagem do veíulo 30 Exetuando os pontos não difereniáveis e as regiões que têm um raio de urvatura menor que o raio r da roda, pertenentes à urva do perfil do terreno, que serão tratados no apítulo quatro, a urva de entro gerada a partir dos demais pontos da urva do perfil do terreno será da forma x, g x. CC CC Assim, para garantir que o veíulo esteja sempre em ontato om o terreno, basta que a todo instante as oordenadas dos entros geométrios das rodas pertençam à urva de entro, isto é verdade quando: x x y = g 8 y = g 9 Derivando em relação ao tempo as Equações 8 e 9, obtem-se: dy dt i dg x = dx i dx dt x i 0 y & y & = & g x x = & g x x Derivando em relação ao tempo a Equação 0, obtem-se: d i dt y dg x = dx i d x dt d g x dx x i i dx dt x i 3 & y & y = && & 4 g x g x = && & 5 g x g x dgi onde: g i = x i dx g = g x x x x g = g g = g g = g i

31 Modelagem do veíulo 3 Substituindo a equação e em 4, enontram-se: os os os os x g h L h L x g h L h L y & & && && & && && = Rearranjando os termos da equação aima, resulta em: ] os [os ] os [os & & && && && = L g h g x g h g L g y x g 6 Substituindo a equação 3 e 4 em 5, enontram-se: os os os os x g h L h L x g h L h L y & & && && & && && = Rearranjando os termos da equação aima, resulta em: ] os os [ ] os [os & & && && && = h g L g x g h g L g y x g 7 Definindo-se: os os h g L g R 8 os os h g L g R 9 ] os [os x g L g h g S & & 30 ] os os [ x g h g L g S & & 3 As Equações 6 e 7 resultam após as substituições feitas aima, nas seguintes equações de restrição do sistema: S R y x g = & & && & & 3

32 Modelagem do veíulo 3 g & && & & 33 x y R = S As Equações 3 e 33 são linearmente independentes L.I. se a matriz W, dos oefiientes das aelerações, tiver posto igual a dois. W g = g R R Quando g g, o posto de W é igual a dois. Logo, as Equações 3 e 33 são L.I. Quando g = g =, oorrem duas possibilidades: a Se =, R R e a matriz W tem posto igual a dois. b Se = =, R será igual a R e W terá posto igual a um, resultando que as Equações 3 e 33 sejam linearmente dependentes L.D.. Neste aso faz-se neessário gerar uma nova equação de restrição que seja L.I. om a Equação 3. Para gerar esta nova equação, onsidera-se um aso onde = =, omo o mostrado na Fig. 0. Figura 0 Ângulos de ontato e igual ao ângulo de inlinação do veíulo.

33 Modelagem do veíulo 33 Assim, para que o veíulo mantenha sempre as rodas em ontato om o solo, as omponentes das veloidades dos entros das rodas ao longo do eixo n devem ser nulas. n n = V = V 0 n n Sendo que as veloidades V e V estão relaionadas da seguinte forma: n n L V = V L & A veloidade angular & é dada por: n V V & = = 0 L L n Assim a aeleração angular será: d& & = = 0 34 dt.3. Sistema de Equações Resultante O sistema de equações resultante é formado pelas equações provenientes das equações de Newton Euler 5, 6 e 7 e pelas equações provenientes das equações de restrição do sistema 3, 33 e 34. Podendo ser oloado em forma matriial, mostrado a seguir. onde: G u = U 35 m 0 G = 0 g u = && && 0 m 0 & & 0 0 I R os d 0 T [ x y N N] U = [ F F T S S] x y in os d 0

34 Modelagem do veíulo 34 = [ g [0 0 R 0 0 0], se ou 0], se = = S, se ou S = 0, se = = F x F y = Fat Fat os os = Fat Fat P T in = [ y y Fat os x x ] Fat [ y y os x x ] d d = y y x x os = y y x x os Da equação matriial 35, podem-se alular as aelerações do veíulo e as forças normais das rodas, através da equação: u = G U 36 A partir da obtenção do vetor u através da equação 36, determinam-se os valores das normais N e N e das aelerações do entro de gravidade & x&,& y& e & &. Estes valores dependem das forças de atrito Fat e Fat, dos ângulos de ontato da roda om o solo e e das variáveis de estado do veíulo, &, & e &. x y,, x y Tendo obtido a modelagem inemátia e dinâmia do veíulo, pode-se proeder om a proposta de ténias de ontrole, desritas a seguir.

35 Controle de Estabilidade 35 3 Controle de Estabilidade Missões em terrenos irregulares exigem dos robôs meanismos de ontrole que garantam suesso e segurança nas operações, pois em muitas das vezes os loais explorados não permitem resgate. Esses meanismos servem tanto para robôs tripulados omo para autônomos. Para tal, vêm se devolvendo algoritmos de ontrole que possam auxiliar os robôs nas tomadas de deisão, sempre que este se deparar om obstáulos que o oloquem em situação de riso. O ontrole proposto busa sempre manter o sistema em uma situação estável, do que o veíulo é onsiderado estável quando as forças normais são positivas. No entanto, a ondição onde apenas uma normal é positiva não implia neessariamente em um sistema instável. Apesar disso, normais positivas serão onsideradas desejáveis em todas as rodas. As seções a seguir apretam o algoritmo proposto nesta dissertação, detalhando o ontrole que garante a estabilidade do veíulo estudado. As ténias para garantia de estabilidade são análogas à atuação do Controle de Torque Computado Fig., que proessa a saída u de uma lei de ontrole qualquer de modo a eliminar efeitos gravitaionais e dinâmios. Na ténia proposta, a saída µ d de uma lei de ontrole qualquer é proessada para garantir não-desolamento, não-deslizamento e evitar saturação. Figura Controle de Torque Computado.

36 Controle de Estabilidade Problemas de Instabilidade Para evitar a perda de estabilidade do robô nas regiões que apretam alives e delives om inlinações onsideráveis, faz-se neessário primeiro avaliar as equações que regem este movimento, para então saber omo influeniar neste proesso, evitando o riso do robô apotar. Uma forma de avaliar o riso de apotar é através do álulo do entro de massa dinâmio. Este é o ponto onde o momento de todas as forças inlusive ineriais atuando no sistema seria nulo, resultando assim na possibilidade de o veíulo girar livremente em torno deste ponto [7]. Quando a projeção deste ponto no eixo horizontal estiver fora da região sombra entre os pontos de ontato das rodas om o solo, o robô irá apotar []. A Fig. mostra esta projeção em duas onfigurações, para uma ondição estátia. Figura Projeções dos entros de massa na horizontal. A onfiguração inlinada se aproxima da instabilidade, pois a projeção se aproxima do ponto de ontato da roda esquerda om o solo.

37 Controle de Estabilidade 37 No entanto, garantindo que as forças normais sempre sejam positivas, garante-se a estabilidade do sistema, ou seja, o veíulo jamais apotará, pois a projeção do entro de gravidade dinâmio estará dentro da região da sombra projetada do veíulo. O ontrole busa as forças de atrito que atuando no sistema resultam em forças normais maiores que zero N >0 e N >0. Assim do, é neessário busar equações que relaionam, de maneira explíita, os valores das forças normais N e N om as forças de atrito. Tomando novamente as equações que regem o movimento do veíulo, dadas por 5, 6 e 7, tem-se que: m & x = Fat N N os Fat os m & y = Fat Fat N os N os P I & & x [ y = [ y x ] Fat y os x y x [ y x ] Fat y x x os ] N [ y x os ] N y os Para ompatar a notação onsidera-se: I & & = a Fat a Fat b N b N onde definem-se a a b y y os x x y y os x x y y x x os b y y x x os

38 Controle de Estabilidade 38 E as restrições 3, 33 e 34 podem ser esritas de uma forma geral omo segue: S R y x g = & & && & & 37 D C y B x A = & & && & & 38 = 0 = dt d & & & onde: os os h g L g R ] os [os x g L g h g S & & = = 0,, se ou se g A = = 0,, se ou se B = =,, se ou se R C = = 0,, se ou se S D os os h g L g R ] os os [ x g h g L g S & & Multipliando as equações 37 e 38 pela massa m, tem-se: S m m R y m x m g = & & && & & D m m C y m B x m A = & & && & & os os os os S m N b N b Fat a Fat a I m R P N N Fat Fat N N Fat Fat g =

39 Controle de Estabilidade 39 D m N b N b Fat a Fat a I m C P N N Fat Fat B N N Fat Fat A = os os os os P S m I m R b g N I m R b g N I m R a g Fat I m R a g Fat = os os os os Analogamente tem-se que: P D m I m C b B A N I m C b B A N I m C a B A Fat I m C a B A Fat = os os os os Definindo-se: I m R a g os δ I m R a g os δ I m R b g os λ I m R b g os λ I m C a B A os β I m C a B A os β I m C b B A os ϕ I m C b B A os ϕ

40 Controle de Estabilidade 40 O sistema agora fia: P S m N N Fat Fat = λ λ δ δ 39 P D m N N Fat Fat = ϕ ϕ β β 40 λ λ δ δ P S m N Fat Fat N = 4 λ λ δ δ P S m N Fat Fat N = 4 Substituindo a equação 4 na equação 4, tem-se: ϕ λ ϕ λ ϕ λ ϕ λ ϕ δ β λ ϕ δ β λ = P S D m Fat Fat N 43 Substituindo a equação 4 na equação 40, tem-se: ϕ λ ϕ λ ϕ λ ϕ λ ϕ δ β λ ϕ δ β λ = P S D m Fat Fat N 44 Defindo-se: ϕ λ ϕ λ ϕ δ β λ d ϕ λ ϕ λ ϕ δ β λ e ϕ λ ϕ λ ϕ λ ϕ λ P S D m u ϕ λ ϕ λ ϕ δ β λ d ϕ λ ϕ λ ϕ δ β λ e ϕ λ ϕ λ ϕ λ ϕ λ P S D m u

41 Controle de Estabilidade 4 Temos finalmente que N N Fat d Fat e u = 45 Fat d Fat e u = 46 Os oefiientes, d, e, e, u u d das equações 45 e 46 dependem, apenas de araterístias físias, geométrias e do estado atual do veíulo y,, x&, y&, & x. Portanto, para garantir N >0 e N >0 devem-se onsiderar, as inequações a seguir: Fat Fat d Fat e u > d Fat e u > 0 0 Fat > d Fat e u Fat > d Fat e u No entanto, omo o ontrole visa também evitar o deslizamento, as forças de atrito Fat e Fat são limitadas pelo oefiiente de atrito estátio entre a roda e o terreno µ, da seguinte forma: Fat N i i µ, i=, µ N Fat µ N, i=, i i i Além disto, outro fator que limita as forças de atrito é a saturação do motor. Esta força de saturação F SAT é a máxima força que os motores do robô onseguem forneer ao sistema através de seus torques. Logo: F Fat F, i=, SAT i SAT

42 Controle de Estabilidade 4 Figura 3 Domínio das forças de atrito limitadas pela força de saturação dos motores e as forças normais. Os valores das forças de atrito que satisfazem todas as ondições aima, irão gerar uma região { } D = Fat, Fat tipiamente om o aspeto da Fig. 4. Figura 4 Região { } de estabilidade. D = Fat, Fat que pertene ao onjunto solução do problema Assim, existe mais de uma solução Fat e Fat que pertene ao onjunto solução do problema de estabilidade. Desta forma, é utilizado um ritério de otimização para a esolha dos valores de Fat e Fat a serem apliados no sistema.

43 Controle de Estabilidade 43 O ritério de otimização utilizado para o ontrole de estabilidade busa esolher Fat e Fat, pertenente a D, de modo a minimizar a função O Fat, Fat definida a seguir: Fat Fat O µ d µ d 47 N N onde µ d é o valor desejado para que a razão Fat i, espeifiado pelo usuário. N i Esse valor desejado µ é limitado fisiamente pelo oefiiente de atrito d µ d µ. Note que o sinal de µ d, ontrola o tido do movimento do veíulo. Para a esolha de µ d é neessário onsiderar alguns fatores importantes:. Se µ d for esolhido próximo ao oefiiente de atrito µ, podem-se obter maiores aelerações e também fazer om que o robô vença situação de alive e delive mais aentuado. No entanto, o sistema se enontra mais próximo de uma situação de derrapagem, podendo evoluir para uma situação de instabilidade.. Se µ d tiver um valor muito pequeno, o robô enontrará difiuldades em superar situações de alives e delives e terá menores valores de aeleração possíveis devido às forças de atrito apliado serem menores. 3.. Desrição do Algoritmo de Controle de Estabilidade O algoritmo de ontrole de estabilidade é desrito da forma a seguir: Entrada dos parâmetros físios m,µ, F, SAT I, geométrios r, L, h e das variáveis de estado x,,,&, &, & y x y atual e também de µ d.

44 Controle de Estabilidade 44 Obtenção da região D, através do álulo das forças de atrito Fat e Fat que satisfazem as restrições abaixo: F Fat F e FSAT Fat FSAT - saturação do motor. SAT SAT N >0 e N >0 - ondição de estabilidade não desolamento das rodas. Fat Fat µ e µ - ondição de não deslizamento. N N 3 Verifia-se se D. Em aso afirmativo: busa solução que minimize a função O Fat, Fat. Fat Fat O = µ d µ d N N Em aso negativo: não há nenhuma ação que possa ser efetivada pelo ontrole para manter a estabilidade do sistema. 4 Após a obtenção de Fat e Fat, estes valores são repassados aos atuadores do sistema de loomoção do robô. O torque a ser apliado em ada roda será, portanto, igual à Fat desejada multipliada pelo raio da roda. A Fig. 5 mostra o fluxograma do ontrole de estabilidade proposto. O próximo apítulo desreve as simulações do sistema.

45 Controle de Estabilidade 45 Figura 5 Fluxograma do Controle

46 Resultados das Simulações 46 4 Simulações No intuito de avaliar o ontrole de estabilidade proposto e visualizar o omportamento do sistema, foi utilizado um simulador. Para tal, foi implementado no programa Matlab 7.0 um algoritmo e seu detalhamento será mostrado a seguir. Entretanto se faz neessário expliar a modelagem do terreno omo foi feito om o veíulo no apítulo. 4.. Modelagem do terreno O perfil do terreno é obtido através de pontos disretizados x,y, onde y = fx. Estes pontos possuem um espaçamento onstante em x, repretado na Fig. 6: Figura 6 Disretização do perfil do terreno. Em seguida, é alulada a direção a fx normal em ada ponto da urva do perfil do terreno. Tomando essas normais, om magnitude igual à distânia do raio da roda do veíulo, é possível gerar uma nova urva, hamada de urva de entro. Esta urva repreta a trajetória seguida pelo entro das rodas, assumindo o não-desolamento das mesmas, ilustrada nas Figuras 7 e 8.

47 Resultados das Simulações 47 Figura 7 Trajetória seguida pelos eixos das rodas. Através da apliação de um tratamento matemátio apropriado aos pontos CC CC x, y da urva de entro, é possível transformar esta urva em uma função onde os seus pontos serão da forma x CC, g xcc,onde x CC é um onjunto de pontos em x que não neessariamente distam dx entre si. Figura 8 Curva de entro.

48 Resultados das Simulações 48 O Cálulo dos pontos da urva de entro é feito da seguinte forma: A normal unitária à urva do perfil do terreno em um ponto x,fx, pertenente a mesma, é alulada omo mostrado abaixo, onforme [4]: n = onde: C C p p C p = y f x = 0 r r = f x i j C p C p = [ f x] Assim resulta: r r f x i j n = [ f x] r r onde i e j são os vetores unitários nas direções x e y, respetivamente. Tomando o vetor u= r n omo do o vetor que liga o ponto x,fx ao seu orrespondente x, y pertenente à urva de entro, tem-se que: CC CC r u f x i = r [ f x] r j [ f x] 48 u = x, y x, f x 49 CC CC De 48 e 49, obtêm-se os seguintes valores para x, y : CC CC f x x CC = x r [ f x] 50 y CC = y r [ f x] 5 Na maioria das vezes o ontato entre a roda e o terreno oorre em um únio ponto, podendo ter situações onde este ontato se faz em mais de um ponto. Nas simulações aqui desritas, para os perfis utilizados, assume-se que não existem mais de dois pontos de ontato.

49 Resultados das Simulações 49 Observando as equações aima nota-se que para o álulo da normal é neessário que fx seja derivável no ponto onde se deseja alular a normal, no entanto nos perfis dos terrenos utilizados podem existir pontos que não possuem derivadas, não possibilitando o álulo dos pontos orrespondentes da urva de entro através das equações 50 e 5 aima. Os asos aima menionados são tratados da seguinte forma: a No ponto x,fx em que fx não é difereniável e f x δε > f x δε, para * δε R, a roda irá girar em torno deste ponto. Sendo que a trajetória desrita pelo seu entro geométrio será um aro de irunferênia de raio r e entro em x, fx, onforme ilustrado na Fig. 9. Este aro é inluído então na disretização de x, g x. CC CC Figura 9 Ponto do perfil do terreno não difereniável. * b Nos pontos onde f x δε < f x δε, para δε R, haverá uma situação limite onde a roda terá dois pontos de ontato om o terreno, onforme a Fig. 0.

50 Resultados das Simulações 50 Figura 0 - Situação onde existe dois pontos de ontato da roda om o terreno. Conforme se pode ver na Fig. 0, os pontos do terreno delimitados pelos valores de x x, x [ não terão pontos orrespondentes na urva de entro, pois ] os mesmos não são pontos de ontato. E os pontos P e P irão gerar o mesmo ponto na urva de entro. Em regiões onde o raio de urvatura r de fx é menor que o raio da roda haverá também dois pontos de ontato, tendo as mesmas o mesmo tratamento que os asos do item b aima. A Fig. ilustra esta situação.

51 Resultados das Simulações 5 Figura - Situação onde o raio de urvatura do perfil do terreno é menor que o raio da roda. A interseção do ontorno das rodas om o perfil do terreno fx determina os pontos de ontato, P e P, das rodas om o terreno. Os ângulos formados pelas tangentes do perfil do terreno, nos pontos de ontato P e P, om a horizontal, determinam os ângulos e. No apítulo estes ângulos foram ilustrados na Fig. 8. Para ada perfil seleionado e mantendo os parâmetros iniiais, foram feitos duas simulações. A primeira sem utilizar o ontrole e a segunda utilizando-o. 4.. Desrição do Algoritmo Utilizado na Simulação O algoritmo da simulação é dividido em ino módulos, do que ada um deles é responsável por: Módulo I: É responsável pela entrada dos parâmetros físios e geométrios do veíulo, das oordenadas x, y e das veloidades x, y&, & iniiais do entro de & gravidade. Este módulo também alula os pontos x, g x pertenentes à CC CC

52 Resultados das Simulações 5 urva de entro e o valor iniial do ângulo de inlinação do veíulo de modo que ambas as rodas estejam em ontato om o terreno. Os parâmetros físios são os seguintes: m = massa do veíulo em [kg]. I = momento de inéria de massa do veíulo em relação ao entro de gravidade em [kg.m ]. F SAT = força máxima gerada pelo motor em [N], do que a mesma é onsiderada igual em ambos os tidos este valor é igual ao torque máximo nas rodas dividido pelo seu raio. g = aeleração da gravidade loal [m/s ]. µ = oefiiente de atrito entre a roda e o terreno. Os parâmetros geométrios são: r = raio da roda em [m]. L = distânia longitudinal, em [m], do entro geométrio da roda ao entro de massa, onforme a definição feita no apítulo. L = distânia longitudinal, em [m], do entro geométrio da roda ao entro de massa, onforme a definição feita no apítulo. h = distânia vertial, em [m], do entro geométrio da roda ao entro de massa, onforme a definição feita no apítulo. h = distânia vertial, em [m], do entro geométrio da roda ao entro de massa, onforme a definição feita no apítulo. Variáveis de estado atual: [m/s]. x = absissa do entro de gravidade do veíulo. y = oordenada do entro de gravidade do veíulo. x& = veloidade do entro de gravidade do veíulo na oordenada x, em

53 Resultados das Simulações 53 [m/s]. y& = veloidade do entro de gravidade do veíulo na oordenada y, em & = veloidade angular do entro de gravidade do veíulo, em [rad/s]. Módulo II: É responsável por alular as oordenadas x, y e as veloidades x &, y& dos entros geométrios das rodas e. i i i i A partir da urva de entro, é feito o posiionamento o veíulo no terreno utilizando o ângulo de inlinação do veíulo e as oordenadas do entro de gravidade x, y. Módulo III: Este módulo é responsável por alular os parâmetros relaionados às equações dinâmias e às restrições. São alulados primeiramente os pontos de ontato da roda om o terreno, P = x, ] e P = x, ]. Consequentemente são obtidos os ângulos de ontato [ y [ y e que são ilustrados na Fig. 8. Também são determinados os parâmetros de restrição através do álulo das equações - 8 do Capítulo 3. Este módulo apreta um omportamento difereniado em relação ao uso ou não do ontrole de estabilidade para as forças de atrito Fat e Fat demonstrado a seguir:. Simulação om Controle de Estabilidade: Neste aso, as forças de atrito e os parâmetros de restrição são alulados obtendo assim a região D, das possíveis forças de atrito, demonstrados no Capítulo 3 na Fig. 4. Depois de obtida a região D, verifia se é possível ou não apliar forças Fat, Fat que estejam nesta região. Em aso afirmativo, é feita uma otimização minimizando as razões Fat i, i=,, para obter um valor para as N i forças Fat e Fat. Caso ontrário a simulação é interrompida.

54 Resultados das Simulações 54. Simulação sem Controle de Estabilidade: Quando não é onsiderado o ontrole de estabilidade, as forças de atrito são parâmetros de entrada do sistema. Arbitrários, definidos a priori. Módulo IV: É responsável por fazer o álulo da dinâmia do sistema alulando [ u G T = U. Através da obtenção do vetor u = && x && y & & N N ], determinamse os valores das forças normais N e N e das aelerações do entro de gravidade & x&,& y& e & &. Módulo V: Este módulo é responsável por alular o novo estado do veíulo, que servirá omo dado de entrada para os álulos seguintes. O álulo deste novo estado é feito omo mostra a seguir: N N N N & x dt x = x x& dt N N N N & y dt y = y y& dt N N N N && dt = & dt onde: N x, N y e gravidade do veíulo no estado novo. N x, N y e N repretam a posição e a inlinação do entro de N gravidade do veíulo no estado atual. N x&, N do veíulo no estado atual. repretam a posição e a inlinação do entro de N y& e & repretam as veloidades do entro de gravidade

55 Resultados das Simulações 55 N &, x& N & e y& N & repretam as aelerações do entro de gravidade & do veíulo no estado atual. de x, Fazendo um trunamento de segunda ordem na expansão em série de Taylor y e em torno do ponto N x, as veloidades do veíulo da seguinte forma: N y e N, podem-se determinar x& N y& & N N = x& = y& = & && x N N && y N N & N N dt dt dt onde: N x&, N y& e veíulo no estado novo. N & repretam as veloidades do entro de gravidade do O valor de dt onsiderado é onstante, do que quanto menor este valor melhor será a aproximação do novo estado do sistema x,y e. No entanto, quanto menor o valor de dt mais passos serão utilizados, aumentando o tempo de simulação. Assim, deve-se busar um valor de dt que busque um equilíbrio entre a preisão e o usto omputaional. A partir da obtenção da posição e da inlinação do veíulo, é feito um ajuste do veíulo ao terreno obtendo assim os valores reais de algoritmo de ajuste será detalhado a seguir. x, y e. Este 4.3. Algoritmo de Ajuste É fundamental fazer o ajuste do veíulo ao terreno nas simulações, pois sempre haverá um erro residual de posiionamento quando se omparam as variáveis do novo estado alulado om o próximo ponto do terreno que é arbitrário. Este erro residual, de segunda ordem, é resultado da disretização do

56 Resultados das Simulações 56 terreno e das aproximações das séries de Taylor no Módulo IV. A Fig. ilustra este proedimento para orrigir o erro residual. Figura Ajuste da urva de entro para simulação. O ajuste iniial busa o ângulo, para um dado ponto do entro de gravidade x,y. π π Para ahar a inlinação do veíulo, faz-se uma varredura de ; para enontrar que minimize S E, dada abaixo: S E = E E E = y E g x = y g x Onde: gx repreta a urva de entros. Substituindo o valor de y e y aima, tem-se que: E = y L h os g x E = y L h os g x Logo: SE = y L h os g x y L h os g x

57 Resultados das Simulações 57 tolerânia. em: Assim, deseja-se enontrar tal que S E ε, onde ε é uma dada Sendo E e E definido omo aima, deseja-se enontrar um que resulte Sendo: E = E E Deseja-se enontrar que minimize E. Uma vez enontrado E que minimize E, alulam-se as novas oordenadas do entro de gravidade CG da seguinte forma: E = n y n E E = y E = E Desta forma, mantendo x e oloando o veíulo om inlinação =, resta apenas ajustar y para garantir o posiionamento no estado novo om o mínimo de erro. O fluxograma abaixo ajuda a ompreender melhor o algoritmo utilizado para simular o omportamento dinâmio do veíulo. As equações resultantes servirão para a implementação do algoritmo em linguagem de programação. A Fig. 3 ilustra o fluxograma do algoritmo utilizado nas simulações. n E

58 Resultados das Simulações 58 Figura 3 Fluxograma que demonstra o algoritmo utilizado nas simulações.

59 Resultados das Simulações 59 5 Resultados das Simulações Para gerar resultados tangíveis, foi modelado um veíulo om as mesmas dimensões e araterístias do segundo protótipo do Robô Ambiental Híbrido Chio Mendes, Fig. 4. Sendo assim, optou-se por esolher os perfis de terreno que obedeem às ondições impostas pelo Laboratório de Robótia do CENPES. Estas ondições ditam que o robô deve ser apaz de vener situações de alive e delive om inlinação em torno de 30 graus. Figura 4 - Deho em Solidworks do segundo protótipo. Desta forma, foram seleionados ino perfis de terrenos que levavam em onsideração o grau de difiuldade para o robô superá-lo. A análise foi feita iniialmente om duas rampas de diferentes inlinações, seguido de três perfis oidais om freqüênias diferentes e amplitude onstante, que serão melhor detalhados na seção 5..

60 Resultados das Simulações Parâmetros Iniiais Utilizados na Simulação A simulação foi feita utilizando os parâmetros iniiais já definidos no apítulo anterior, e possuem os seguintes valores: Parâmetros físios: m = 0 [kg]. I = 5, [kg.m ] Este valor foi alulado através do software SolidWorks 007. F SAT = 30 [N]. g = 9,8 [m/s ]. Parâmetros geométrios: r = 0,3 [m]. L = L L = 0,7 [m]. h = h = 0, [m] Este valor foi alulado através do software SolidWorks 007. A força de saturação F SAT utilizada foi alulada a partir do valor real de torque que o motor podia ofereer. Segundo as espeifiações do Laboratório de Robótia, este valor de torque máximo é igual a 96 Nm. Para alular a força F SAT foi neessário dividir o valor do torque pelo braço de alavana, que neste aso espeífio é o raio da roda do veíulo, omo mostra a Fig. 5.

61 Resultados das Simulações 6 Figura 5 - Relação da F SAT om o torque máximo permitido pelo motor. 5.. Perfil do Terreno Além dos parâmetros geométrios e físios aima desritos, o perfil do terreno é onsiderado também omo dado de entrada. Nas simulações realizadas, foram utilizados terrenos om perfis do tipo oidal e aidentados Análise Quantitativa Os resultados das simulações serão desritos separadamente em dois asos, sem ontrole e utilizando o ontrole de estabilidade proposto. Para tal, foram usados os mesmos parâmetros de entrada nos dois asos para ser possível uma análise omparativa. Em todas as simulações foram gerados os gráfios das forças de atrito, das normais às rodas, e da razão F i, onde F i é a máxima força entregue pelo Ni τ motor ao sistema que é igual a razão entre o torque e o raio da roda. R

62 Resultados das Simulações Simulação sem Controle de Estabilidade As simulações desta seção foram feitas utilizando a máxima força entregue pelo motor ao sistema τ F = F = = 30 N. O ritério utilizado para esolher R estas forças, foi se aproximar do modelo real já testado na Amazônia que trabalhava om torque igual nas quatro rodas e no valor máximo de saturação do motor. Para a simulação sem ontrole os perfis de terreno utilizados fazem om que haja o desolamento das rodas do veíulo e o deslizamento das rodas no terreno. Esta esolha foi feita para mostrar posteriormente a efiiênia do ontrole de estabilidade proposto. O primeiro terreno utilizado na simulação foi do tipo oidal, apretando uma inlinação máxima de 39 graus, oefiiente de atrito µ = 0,5 e veloidade iniial de m/s na direção x. Nestas ondições, não foi possível que o veíulo atravessasse o terreno sem que houvesse o desolamento das rodas dianteiras que e a apotagem logo a seguir. Figura 6 Perfil oidal om inlinação de 39 graus. A Fig. 7 ilustra este omportamento através das forças normais, e pode-se observar que existe o desolamento das rodas dianteiras N = 0 em torno de x = -0,5 metros. Onde x é a oordenada do entro de gravidade do veíulo na direção x.

63 Resultados das Simulações 63 Mesmo perdendo o ontato das rodas dianteiras om o terreno, o robô ainda perorre aproximadamente metros até que oorra a apotagem. Figura 7 Forças Normais para perfil oidal sem ontrole. Na Fig. 8, pode-se observar que desde o iníio da simulação oorre o deslizamento das rodas dianteiras e logo após o desolamento destas, as rodas traseiras omeçam a deslizar. Este deslizamento das rodas resulta em um desperdíio de energia, haja vista que as forças enviadas pelo motor ao sistema F i, não são integralmente aproveitadas omo se pode observar na Fig. 9. Figura 8 Razão Fi N i para perfil oidal sem ontrole.

64 Resultados das Simulações 64 Figura 9 Aproveitamento das forças no sistema para perfil oidal sem ontrole. Na Fig. 30, mostra as forças de atrito que atuam no sistema. Devido ao deslizamento das rodas estas forças são diferentes das apliadas pelo motor. Figura 30 - Forças de atrito para perfil oidal sem ontrole. O outro terreno utilizado nesta simulação apreta um perfil pouo aidentado, onforme mostrado na Fig. 3, e oefiiente de atrito µ = 0,3. Nesta simulação novamente foi utilizado uma veloidade iniial igual a m/s na direção x.

65 Resultados das Simulações 65 Figura 3 Terreno pouo aidentado. Na Fig. 3, pode-se observar que oorre o desolamento das rodas dianteiras, no entanto este desolamento não evoluiu para a apotagem do veíulo. A simulação foi parada mesmo sem a apotagem, pois o interesse da mesma era verifiar se oorreria ou não o desolamento das rodas. Figura 3 - Forças Normais para terreno pouo aidentado sem ontrole. A Fig. 33 mostra que todas as rodas iniialmente já estão deslizando no terreno, porém as rodas traseiras onseguem não deslizar em um intervalo de aproximadamente de 3 metros. No entanto após o desolamento das rodas

66 Resultados das Simulações 66 dianteiras oorre novamente o deslizamento das rodas traseiras, do que este perdura até o final da simulação. Figura 33 - Razão Fi para terreno pouo aidentado sem ontrole. N i Na Fig. 34, pode-se observar que o aproveitamento das forças que atuam nas rodas dianteiras neste perfil é onsideravelmente baixo, do seu maior valor de aproximadamente 40%. Nas rodas traseiras este aproveitamento é maior, no entanto no iníio e no fim da simulação ele fia abaixo de 00% resultando também em desperdíio de energia. Este desperdíio pode ser notado através do gráfio das forças de atrito agindo no sistema Fig. 35, o qual mostra que as mesmas apretam valores inferiores as forças apliadas pelo motor.

67 Resultados das Simulações 67 Figura 34 Aproveitamento das forças no sistema para terreno pouo aidentado sem ontrole. Figura 35 Forças de atrito para terreno pouo aidentado sem ontrole Simulação om Controle de Estabilidade As simulações desta seção, diferentemente da anterior, não utilizam valores de entrada onstantes para as forças de aionamentos das rodas provenientes do torque do motor F i. Estas são aluladas através do algoritmo de ontrole proposto, desrito no apítulo 3.

68 Resultados das Simulações 68 Foram realizados quatro simulações em perfis diferentes. As duas primeiras tiveram omo intuito avaliar a efiiênia do ontrole proposto em relação ao aso sem ontrole. A tereira simulação visa avaliar a resposta do ontrole, quando atuando em um perfil om oefiiente de atrito variável. A quarta simulação mostra que a partir de uma entrada de ontrole qualquer neste aso um ontrole proporional de veloidade om ompensação de gravidade, pode-se utilizar o ontrole proposto para garantir a estabilidade do sistema. As Figuras 36 à 38 são referentes a simulação feita utilizando o perfil oidal om inlinação máxima de 39 graus, oefiiente de atrito µ = 0,5 e veloidade iniial de m/s na direção x. Nesta simulação µ = 0, 8 µ, do que este valor foi esolhido para se ter uma margem de segurança em relação ao deslizamento e onseqüentemente ao desolamento. A Fig. 36 mostra o gráfio das normais no qual se verifia que as mesmas sempre se enontram om valores seguros, apretando um valor mínimo um pouo menor que 50 N. d Figura 36 - Forças Normais para perfil oidal om ontrole. A Fig. 37 mostra que o ontrole proposto onsegue manter as razões Fi Ni iguais ao valor desejado na maior parte da simulação. Nas regiões onde isto não oorre, as razões Fi Ni assumem valores menores que µ d não omprometendo a

69 Resultados das Simulações 69 estabilidade do robô devido à restrição da máxima força forneida pelos motores ao sistema F sat. Isto pode ser verifiado na Fig. 38, que mostra o gráfio das forças de atrito. Como não oorre deslizamento, as forças de atrito são iguais as forças de atuação Fat i = F i. Figura 37 - Razão Fi para perfil oidal om ontrole. N i Figura 38 - Forças de atrito para perfil oidal om ontrole. As Figuras 39 à 4 são referentes a simulação feita utilizando o perfil pouo aidentado Fig. 3, oefiiente de atrito µ = 0,3 e veloidade iniial de m/s na

70 Resultados das Simulações 70 direção x. Nesta simulação µ = 0, 8 µ, do que este valor foi esolhido para se d ter uma margem de segurança em relação ao deslizamento e onseqüentemente ao desolamento. A Fig. 39 mostra o gráfio das normais e novamente se verifia que as mesmas sempre se enontram om valores seguros, apretando um valor mínimo um pouo menor que 00 N. Figura 39 - Forças Normais para terreno pouo aidentado om ontrole. A Fig. 40 mostra que o ontrole proposto onsegue manter as razões Fi Ni iguais ao valor desejado µ = 0, 4 80% do valor do oefiiente de atrito na d maior parte da simulação. Nas regiões onde isto não oorre, as razões assumem valores menores que terreno. Fi Ni µ d garantindo que as rodas não desolem do A Fig. 4 mostra o gráfio das forças de atrito, que omo na simulação anterior são iguais às forças de atuação Fat = i F i, pois não oorre deslizamento. Nesta figura nota-se a atuação do ontrole sobre as forças de atuação, de modo a variá-las para que suas urvas sejam similares às urvas das respetivas normais. As regiões onde o ontrole não onsegue obter esta similaridade devem-se a restrição de saturação do motor.

71 Resultados das Simulações 7 Figura 40 - Razão Fi para terreno pouo aidentado om ontrole. N i Figura 4 - Forças de atrito para terreno pouo aidentado om ontrole.

72 Resultados das Simulações 7 Figura 4 Terreno pouo aidentado om µ variável. A Fig. 4 aima mostra um terreno pouo aidentado om regiões de diferentes oefiientes de atrito, onde foi realizada uma simulação utilizando o ontrole de estabilidade proposto para verifiar a sua efetividade em terrenos om atrito variável. Nesta simulação foi novamente fixado µ d = 0, 8 µ e a veloidade iniial igual a zero. A Fig. 43 mostra o gráfio das normais, do que o pio que oorre nas normais na parte iniial da simulação deve-se a irregularidade do terreno. Analisando-se esta figura nota-se que a variação abrupta do oefiiente de atrito gera variações brusas nos valores das forças normais, no entanto devido à efiáia da atuação do ontrole de estabilidade estas variações não fazem om os valores das normais se aproximem de zero.

73 Resultados das Simulações 73 Figura 43 Normais em terreno pouo aidentado om µ variável om ontrole. Na Fig. 44 mostra a efiiênia do ontrole proposto, do que o mesmo onsegue sempre manter as razões Fi N i iguais ao seu valor desejado sem que haja osilações, que poderiam surgir devido às mudanças abruptas de µ. A Fig. 45 ilustra o gráfio das forças de atrito. As urvas destas forças também sofrem variações repentinas impostas pelo ontrole de estabilidade proposto, para que elas aompanhem a forma das urvas das suas respetivas normais. Figura 44 Razão Fi em terreno pouo aidentado om µ variável om ontrole. N i

74 Resultados das Simulações 74 Figura 45 Forças de atrito em terreno pouo aidentado om µ variável om ontrole. A Fig. 46 ilustra o terreno aidentado utilizado na simulação do sistema, que teve omo intuito demonstrar que o ontrole de estabilidade proposto pode trabalhar junto om outros ontroles neste aso: ontrole de veloidade, de modo a garantir a estabilidade do sistema. Figura 46 Terreno aidentado om ontrole de veloidade e de estabilidade. Esta simulação utilizou oefiiente de atrito µ = 0,3 e veloidade iniial de m/s na direção x. Já do o mesmo dado por: µ = K V V 0 tan d p d µ d traz embutido no seu álulo o ontrole de veloidade,

75 Resultados das Simulações 75 Onde: K p : é o ganho proporional do ontrole e igual a 0 [s/m]; V d : veloidade desejada do entro de massa do robô em [m/s]; V 0 : módulo da veloidade atual do entro de massa do robô em [m/s]; tan : termo que ompensa a força de gravidade; : ângulo de inlinação do veíulo em relação ao eixo x em [rad]. As Figuras 47 à 50 mostram os resultados obtidos nesta simulação. O gráfio da veloidade Fig. 47 demonstra que o ontrole onseguiu manter a veloidade do robô em valores bem próximo ao valor desejado, apretando um erro máximo de 0,5 m/s devido a aentuada irregularidade do terreno. Figura 47 Veloidade ao longo do tempo para perfil aidentado om ontrole. A Fig. 48 mostra o gráfio das normais, onde se observa que o ontrole onseguiu manter os valores das forças normais dentro de uma margem de segurança.

76 Resultados das Simulações 76 Figura 48 Normais para perfil aidentado om ontrole. Na Fig. 49 pode-se observar que o ontrole apreta uma boa veloidade de resposta em relação às variações de µ d. Também nota-se que o ontrole atua de modo a manter as razões Fi N i bem próximas do valor desejado, através da variação das forças de atrito onforme mostrado na Fig. 50. Figura 49 Razão Fi N i para perfil aidentado om ontrole.

77 Resultados das Simulações 77 Figura 50 Forças de atrito para perfil aidentado om ontrole. Diante dos resultados obtidos, pode-se observar a efiáia do ontrole proposto em relação a garantia do não deslizamento e do não desolamento das rodas. O ontrole de estabilidade devolvido mostrou-se ainda ser efiiente em terrenos om oefiiente de atrito baixo e om variações desontínuas. As simulações também demonstraram que o ontrole proposto pode ser utilizado em onjunto om um sistema de ontrole qualquer, trabalhando de modo similar ao ontrole de torque omputado, ontrolando as forças de aionamento das rodas garantindo a estabilidade do sistema.

78 Experimentos 78 6 Experimentos Dois protótipos do veíulo modelado foram onstruídos e testados em terrenos aidentados. Devido a limitações no soreamento destes robôs e a limitação do tempo, não foi possível fazer uma avaliação quantitativa dos algoritmos propostos. A seguir serão apretadas as araterístias prinipais dos dois protótipos onstruídos e os resultados dos testes feitos em terrenos irregulares e em ondições reais de operação. 6.. Construção do primeiro protótipo Após estudos sobre as araterístias dos ambientes de operação onde o veíulo irá fazer o monitoramento ambiental, e os problemas em relação à loomoção, ao lima loal e às tarefas a exeutar, um primeiro protótipo do Robô Ambiental Híbrido foi onstruído e testado no Laboratório de Robótia do CENPES. Suas araterístias são: Peso de 5,5 kg. Rodas om diâmetro de 70 mm. Conjunto de motores om redução de 4 V, om 7 RPM e torque final de 0,3 Nm por roda. Conjunto de 0 baterias de Ni-MH rearregáveis de, V e 600mAh ada. Únio omando de suspensão para todas as rodas. Sistema tele-operado, possuindo âmera embarada.

79 Experimentos 79 Figura 5 Primeiro Protótipo do Robô Ambiental Híbrido. Este protótipo tem a parte estrutural onstruída em arílio, e suas rodas feitas de isopor preenhido om polipropileno, apreta um sistema de visão através de âmera de vídeo, que transmite imagens em tempo real. Não é dotado de sores funionais, e todo proessamento é feito em um omputador remoto que envia via rádio as instruções a serem exeutadas. A ambagem variável não modelada nesta dissertação é ontrolada por apenas um motor nas quatro rodas, e ada roda dispõe de um motor independente, do que as rodas do lado esquerdo e direito trabalham em pares. As operações que este primeiro protótipo está apaitado a fazer, em relação à sua loomoção, são: desloamento para frente, para trás, e giro no próprio eixo. Esta última virtude é possível omandando as rodas à sua esquerda e à sua direita em tidos opostos. Tendo este apretado bons resultados nos seus primeiros testes em laboratório, o Laboratório de Robótia do CENPES aeitou o desafio de partiipar em setembro de 005 de uma exursão do projeto PIATAM no período em que o Rio Solimões enontrava seando. O objetivo prinipal de partiipar desta exursão era aprender um pouo sobre as difiuldades enontradas em ampo pelos pesquisadores e testar em ondições reais alguns oneitos que seriam úteis aos protótipos futuros Teste om o primeiro protótipo Foram realizados testes no ambiente real de operação, Amazônia, para verifiar quais situações que ausam o desolamento das rodas do robô e suas onseqüênias. A seqüênia de imagens apretadas nas Figuras 66 e 67

80 Experimentos 80 ilustram o problema que pode oorrer quando em situações de alive ou delive, quando o robô perde uma de suas normais. No aso desrito, o robô está dedo uma ladeira om inlinação visivelmente aentuada. Além disto, este protótipo tinha a distânia h, do seu entro de gravidade até o eixo das rodas, relativamente alta para os parâmetros geométrios e físios do mesmo. Sendo assim, ao tentar deser, nota-se que as rodas traseiras omeçam a se desolar do terreno no momento em que a projeção do entro de gravidade dinâmia foge da área projetada formada pelos pontos de ontato das rodas sombra. Figura 5 Condição real de apotagem I. Para orrigir este problema, o robô deveria aelerar as duas rodas dianteiras, fazendo om que as traseiras voltassem ao terreno. Porém, não havendo ontrole apaz de atuar no sistema, não foi possível evitar a apotagem, uma vez que este protótipo não possuía ação independente entre as rodas dianteiras e traseiras. Figura 53 - Condição real de apotagem II.

81 Experimentos Construção do segundo protótipo No dia 07 de Abril de 006, foi realizado no CENPES o primeiro teste de uma nova versão do Robô Ambiental Híbrido, que teve omo objetivo avaliar o desempenho de aspetos importantes do veíulo de forma individual e onjunta, tais omo: transmissão do movimento através da suspensão; desempenho dos motores das rodas, protoolo IP transmitindo 5 Kbps via rádio; imagem transmitida pela âmera IP; resistênia dos equipamentos eletrônios às vibrações do sistema; a aderênia das rodas sobre a grama; a efiáia dos algoritmos de ontrole; a failidade de ondução do veíulo; a aptação de dados através de sores; a movimentação do manipulador; e a flutuabilidade do sistema em movimento, parado e om o braço em operação. Caraterístias: Peso aproximado de 0 kg. Rodas om diâmetro de 600 mm. Conjunto de motores om redução om tensão nominal de operação de 48 V, om 8 RPM veloidade final de 3,6 km/h e torque de 5 Nm por roda. Dois onjuntos de baterias, um de 48 V e 7. Ah, e outro de 4 V e 5.0 Ah. Comando individual de suspensão. Figura 54 Segundo protótipo do Robô Ambiental Híbrido do testado no CENPES.

82 Experimentos Testes om o segundo protótipo Este segundo protótipo também foi testado na Amazônia, porém no período da heia do rio Solimões, não riando situações desfavoráveis. A área onde está do onstruído o CENPES II foi usada para fazer testes mais exigente om o robô. Figura 55 - Teste no CENPES II em situação de delive, parte I. Neste aso, o robô enontra um obstáulo em meio à sua desida. No entanto, ele está do manobrado por um operador que, tendo a visão da situação e auxílio de observadores, ontrola o movimento. Figura 56 - Teste no CENPES II em situação de delive, parte II. Este obstáulo, apesar de ter deixado o robô om inlinação aentuada, onserva a projeção do seu entro de gravidade dentro da área formada pelos pontos de ontato das rodas, evitando a apotagem. Tudo isto é onseqüênia do h ser relativamente pequeno para os parâmetros geométrios e físios do mesmo.

83 Experimentos 83 Figura 57 - Teste no CENPES II em situação de delive, parte III. Se esta operação não pudesse ser aompanhada por observadores e fosse realizada de maneira autônoma, neessitaria do uso de uma ação de ontrole similar à apretada na seção anterior.

84 Conlusões e Perspetiva 84 7 Conlusões e Perspetiva Esta dissertação apreta um método de ontrole de estabilidade que visa garantir que as rodas de um robô móvel não irão desolar em um terreno aidentado, evitando situações de instabilidade. 7.. Contribuição desta dissertação Em operações que utilizam robôs móveis em terrenos irregulares, é neessário apaitar ténias de ontrole para garantir segurança nos movimentos. No apítulo I, foi desrito um breve histório sobre os poteniais impatos ambientais que a indústria do petróleo e do gás está levando à região da Amazônia brasileira. Também apretou-se a importânia de se fazer um monitoramento ambiental onstante nesta região. Como esta região de selva apreta difiuldades em loomoção e ertos risos, foram onstruídos protótipos de robôs móveis para auxiliar neste monitoramento. Algumas apliações de robôs móveis, em missões que possam oloar em riso a vida humana, também foram apretadas. O desejo de fazer om que este robô trabalhe om autonomia em seus movimentos foi um fator motivador para esta dissertação. No apítulo II, foi apretada a modelagem D do robô ambiental hibrido, onsiderando-o omo um orpo rígido. Foi feita uma análise inemátia e dinâmia que permitiu ompreender o movimento do robô e onstruir a partir desses resultados um algoritmo de ontrole de estabilidade. No apítulo III, foi detalhado o ontrole de estabilidade proposto nesta dissertação. Este ontrole atua no movimento do robô através das forças de atrito, que são esolhidas respeitando ritérios otimizados de restrição. No apítulo IV, são realizadas, a partir dos resultados obtidos nos apítulos anteriores, simulações que ilustram o omportamento dinâmio do robô. Estas servem para avaliar o algoritmo de ontrole proposto.

85 Conlusões e Perspetiva 85 No apítulo V, são apretados os resultados das simulações onde se omprova a efetividade do ontrole de estabilidade. Para tal, o robô foi simulado em ino tipos de perfil de terreno diferentes. No apitulo VI, foi demonstrado omo foram onstruídos os dois protótipos do Robô Ambiental Híbrido Chio Mendes. Prourou-se também expliitar problemas ausados quando existe o desolamento das rodas do robô om o terreno. 7.. Sugestões para trabalhos futuros O prete trabalho estudou um aso partiular que assegura a estabilidade do veíulo. Para isto, demonstrou-se ser sufiiente garantir o não desloamento de nenhuma das rodas do robô om o terreno. Trabalhos futuros podem inluir ontrole de veloidade em onjunto om ontrole de estabilidade, ou inorporando ténias para minimizar a energia total dispendida pelo robô. O ontrole proposto neste trabalho utiliza omo um dos dados de entrada o perfil do terreno. É importante, portanto, que o robô tenha um sistema de navegação que identifique a topografia do terreno, o que pode ser interpretado em trabalhos futuros omo uso de âmeras estéreo, de âmeras mono om iluminação estruturada, ou om ténias de ultra-som. para 3D. Além disto, estudos devem ser orientados para generalizar a modelagem D

86 Bibliografia 86 8 Bibliografia [] Iagnemma, K., Dubowsky,S. Mobile Robots in Rough Terrain: Estimation, Motion Planning, and Control with Appliation to Planetary Rovers. New York: Springer,004. [] Papadopoulos, Evangelos, Rey, Daniel A. The Fore-Angle Measure of Tipover Stability Margin for Mobile Manipulator. Vehile System Dynamis, , pp [3] Silva, A. Modelagem de Sistemas Robótios Móveis para Controle de Tração em Terrenos Aidentados. Dissertação de Mestrado, PUC-Rio, 007. [4] [5] [6] [7] Takaninish, Atsuo, Tohizawa, Mamoru, Karaki, Hideyuki, Kato, Ihiro. Dynami Biped Walking Stabilized With Optimal Trunk and Waist Motion. IEEE/RSJ InternationalWorkshop on Inteligent Robots and Systems, 89, Sep. 4-6, 989, Tsukuba Japan.

87 Apêndie A 87 9 Apêndie A 9.. Amazônia O Brasil detém de % a 5% de água doe do planeta e era de 80% dessa reserva está onentradas na Amazônia. A Floresta Amazônia é a maior floresta tropial remanete do mundo, repretando era de 40% das florestas tropiais do planeta. Figura 58 Floresta Amazônia. Conheida omo abrigo da maior biodiversidade do mundo, a floresta é formada basiamente por matas de terra firme, matas de várzea, alagadas pelos rios de água barrenta na estação das heias, e matas de igapós, inundadas quase permanentemente por rios de água preta. A região possui vegetação nativa, om alta densidade vegetal. Boa parte da região passa metade do ano alagada. Altas temperatura e umidade onstituem o lima enontrado durante todo o ano Indústria do Petróleo e Gás no Amazonas Cera de uma dezena de baias sedimentares estão situadas na Amazônia Legal Brasileira, perfazendo quase /3 dessa área territorial. Três delas - baias do Solimões, Amazonas e Paranaíba - são as mais importantes, não só pelo tamanho

88 Apêndie A 88 juntas oupam aproximadamente,5 milhão de km², mas prinipalmente pelo seu potenial. A baia do Solimões é a tereira baia sedimentar em produção de óleo no Brasil, om uma reserva de 3 milhões de barris de petróleo. No entanto, a prinipal voação da Amazônia é o gás natural. O estado do Amazonas tem a segunda maior reserva brasileira de gás natural do país, om um total de 44,5 bilhões de metros úbios. Nas outras duas baias também têm sido enontradas aumulações de gás. Figura 59 Primeiros trabalhadores da Petrobras na Amazônia. As primeiras desobertas de petróleo na Amazônia oorreram em 954, quando a Petrobras enontrou quantidades não omeriais nas idades de Nova Olinda, Autás Mirim e Maués, no estado do Amazonas. Nos primórdios da Petrobras, as pesquisas foram direionadas para a baia do Amazonas, em detrimento da baia do Solimões. Só em 976 foi feito o primeiro levantamento de sísmia de reflexão na baia do Solimões. A partir de 978, ano da desoberta da provínia gaseífera do Juruá, a pesquisa de petróleo na baia do Solimões foi intensifiada. Em outubro de 986, o sonho de prospeção petrolífera na Amazônia tornou-se realidade om a desoberta da provínia do Uruu, a 600 km de Manaus, vide Fig.3. Dois anos depois, o óleo já estava do esoado por balsas, através do rio Solimões, até a Refinaria Isaa Sabbá UN-Reman, Fig.4, na apital do estado. Em 998 teve iníio a operação do poliduto, om 85 Km de extensão, entre Uruu e Coari, idade mais próxima da base petrolífera.

89 Apêndie A 89 Figura 60 Base de Uruu. Figura 6 Vista aérea da Refinaria Isaa Sabbá UM-Reman. A produção de petróleo no Amazonas, em outubro de 00, de aordo om a Unidade de Negóios da Baia do Solimões UN-BSOL, foi de barris de óleo por dia, o que repreta 3,8% da produção do país barris/dia no mesmo período. O petróleo de Uruu é onsiderado o de melhor qualidade no país e dele são produzidos, prinipalmente, derivados mais nobres de alto valor agregado omo diesel e nafta. A região Amazônia já é auto-sufiiente em petróleo e parte de sua produção é exportada para outras refinarias da Petrobras, loalizadas em diferentes regiões do país. Esse petróleo tem araterístias espeiais, pois é extremamente leve e por isso não produz asfalto, do neessário, portanto, importar petróleo mais pesado da Venezuela. Os 8% restantes da apaidade da refinaria são oupados pelo

90 Apêndie A 90 petróleo importado, de nome Leona, om o únio objetivo de produzir o asfalto neessário para o abasteimento do merado regional. Figura 6 - Unidade de Proessamento de Gás Natural UPGN. Atualmente estão do realizados estudos para a substituição desse petróleo importado por um produto similar produzido na baia de Campos, no Rio de Janeiro. Caso os estudos apontem para a viabilidade da substituição, a UN- Reman passará a refinar uniamente petróleo de origem naional. Sua apaidade de refino é de 49 mil barris de petróleo por dia, o equivalente a era de,5% da apaidade de refino instalada no Brasil. A Petrobras, por meio da UN-BSOL, foi a primeira empresa de petróleo do mundo a ser ertifiada simultaneamente nas gestões ambiental, om a ISO 400, e de saúde e segurança no trabalho, om a BS Atualmente, a UN- BSOL é ertifiada pelas normas ISO 900 que trata da qualidade de produtos e serviços, ISO 400 e OHSAS 800, em substituição à BS A UN-Reman foi a primeira refinaria da Petrobras a obter as ertifiações nessas três normas que formam um únio sistema de gestão. A preoupação da UN-BSOL om o meio ambiente também pode ser onstatada em outras ações da ompanhia no trabalho de reuperação da vegetação nas áreas de exploração de petróleo em Uruu, realização de ampanhas internas e junto às omunidades para a onsientização da questão ambiental e a reilagem de resíduos orgânios, suata e papel. O dinheiro arreadado om a venda dos materiais reilados é revertido para atividades filantrópias da empresa.

91 Apêndie A 9 As ações ambientais da Petrobras na Amazônia são aompanhadas, por meio de onvênios, por entidades de pesquisa e preservação do meio ambiente e órgãos governamentais da região, tais omo Instituto de Proteção Ambiental da Amazônia IPAAM, Instituto Naional de Pesquisas da Amazônia INPA, Universidade Federal do Amazonas UFAM, Universidade Tenológia do Amazonas UTAM e prefeituras muniipais Gasoduto Coari Manaus A onstrução do gasoduto Coari-Manaus é um tema antigo que remonta a 986, quando a Petrobrás anuniou a desoberta das jazidas de gás natural em Uruu. Uma série de fatores impediu o avanço do debate e a definição sobre a viabilidade sóio-ambiental e eonômia da obra. A Petrobrás atua na exploração de petróleo e gás na Amazônia desde 988 na provínia de Uruu AM, na baia do Rio Solimões, a 650 km da idade de Manaus. Essa é a maior Unidade de Proessamento de Gás Natural do Brasil UPGN3, om uma produção de mais de seis milhões de m 3 de gás natural por dia. O esoamento do petróleo e do gás é feito através de 85 km 40 km submersos de dutos até a idade amazonense de Coari. De lá viajam 0 dias de balsa até a idade de Manaus. Figura 63 - Transporte de GLP Gás Liquefeito de Petróleo. Busando maior efiiênia no esoamento do gás natural e iente do riso que essas embarações levam à região, a Petrobrás planejou a onstrução de dois gasodutos: Coari-Manaus om 40 km de extensão e o Uruu-Porto Velho om

92 Apêndie A km. O gasoduto Coari-Manaus tem sido desrito omo maro de uma nova etapa na história do Amazonas. A partir do lieniamento ambiental, outorgado em 6 de Abril de 004, a Petrobras iniiou os preparativos ténios e administrativos para omeçar a onstrução deste gasoduto. Figura 64 - Gasoduto Coari Manaus. Em meio a esse proesso de lieniamento, o governo Estadual reomendou à Petrobrás que ontratasse uma instituição om notória ompetênia e elevada redibilidade perante todos os segmentos da soiedade envolvidos direta ou indiretamente om o gasoduto. Surgiu dessa forma um ontrato de prestação de serviços entre a Universidade Federal do Amazonas, através do CCA Centro de Ciênias do Ambiente, e a Petrobras. Foi montada uma equipe om 57 pesquisadores, do doutores e mestres. A maior e melhor qualifiada equipe já montada no Amazonas para um estudo dessa natureza. Esse ontrato riou a oportunidade para uma ontribuição exemplar da UFAM à soiedade amazonense e, ao mesmo tempo, um apoio finaneiro expressivo para o fortaleimento dos prinipais programas de pesquisas do CCA. A soiedade amazonense registrou forte demanda para que o gás hegasse até as sedes dos muniípios por onde passará o gasoduto, ainda que om erto reeio dos impatos sóio-ambientais que aarretaria. Assim do, a Petrobras avaliou omo viável essa idéia, a qual foi inluída omo uma exigênia para a liença ambiental. A Petrobras assumiu esse desafio omo parte de sua polítia de responsabilidade soial e investirá mais de R$ 70 milhões para que o gás hegue também até os muniípios de Coari, Codajás, Anori, Anamã, Caapiranga, Manaapuru, Iranduba. Isso permitirá a esses muniípios não apenas uma energia

93 Apêndie A 93 mais barata, onfiável e eologiamente mais limpa. Permitirá, também, a atração de novas indústrias para esses muniípios, espeialmente aquelas que podem se benefiiar da o-geração de energia, omo é o aso de seadores de madeira, frigorífios de peixe e olarias. O lieniamento ambiental para onstrução do gasoduto Coari-Manaus ontém alguns ondiionantes fundamentais a serem umpridos pela Petrobras: evitar a erosão e o entupimento de igarapés; reuperar as áreas degradadas; não permitir, ao longo do duto, a onstrução de estradas perenes que permitam a invasão de terras e o desmatamento; adotar medidas restritivas à prostituição, om programas eduativos e punitivos para trabalhadores da obra, priorizar a ontratação de mão-de-obra loal; além de programas de geração de renda para famílias de baixa renda; adotar proedimentos efiientes para evitar o aumento de doenças omo a malária, entre diversos outros. Esses temas foram identifiados pelas equipes ténias envolvidas no lieniamento ambiental e pelas dezenas de instituições e era de três mil idadãos pretes nas oito audiênias públias realizadas em todos os muniípios da área de influênia da obra, inlusive Manaus. Essas ações realizadas abrangem e ampliam as prioridades identifiadas pelo Estudo de Impatos Ambientais e pelo Relatório de Impatos do Meio Ambiente, elaborados pela Universidade Federal do Amazonas. Além das medidas de prevenção de impatos ambientais, foi estruturado um Programa de Devolvimento Sustentável para as omunidades que estão na área de influênia do gasoduto Coari-Manaus, que onta om a partiipação de mais de 50 instituições, entre órgãos dos governos Muniipal Estadual e Federal e instituições de pesquisa e ensino do Amazonas, além de ONGs. Este Programa tem omo missão soializar os benefíios do empreendimento, om três objetivos fundamentais: apoiar a onstrução da idadania, promover o aumento da renda e fomentar a onservação ambiental. Essas ações abrangem e ampliam as prioridades identifiadas pelos estudos do projeto PIATAM, que será detalhado no item...

94 Apêndie A Risos Ambientais da Indústria do Petróleo e Gás Desde 986, quando a Petrobras desobriu no rio Uruu, afluente do Solimões no oração da região amazônia, a segunda maior reserva de gás e a tereira maior de petróleo do país, tornou-se imperioso o mapeamento de informações desse eossistema de vital importânia para o planeta. Transportar uma meradoria tão poluente quanto óleo em meio à sível vegetação inundada pode ser fatal se faltarem os meanismos gereniais neessários em aso de aidente. Quando a atividade petrolífera no meio da selva teve iníio, eram ainda preários os onheimentos sobre as partiularidades da região. Numa iniiativa pioneira, aademia e indústria deram-se as mãos, num projeto batizado de PIATAM, para preenher essa launa e interligar os estudos de impato ambiental om deisões de gereniamento de risos operaionais. Alguns dos melhores entros de pesquisa do país emprestam hoje seus avançados métodos de oleta de dados e instrumentos de gerênia para ampliar os onheimentos do meio ambiente e onstruir uma base de dados que sirva de apoio para a Petrobras produzir energia sem sujar a natureza. A produção de Uruu gira em torno de inqüenta e oito mil barris diários de petróleo e seis milhões de metros úbios de gás dos quais a Petrobras proessa uma déima parte, reinjetando o restante no solo. Os dois mil homens que trabalham na provínia petrolífera e os equipamentos são transportados de avião e helióptero. Um poliduto gás e petróleo de 85 quilômetros de extensão ligando Uruu a Coari foi onstruído na selva om orte mínimo de vegetação. De Coari a Manaus, o óleo é transportado em navios, e nesse treho os risos são ainda maiores, pois em ambiente aquátios a dispersão do óleo não enontra restrição omo em ambientes terrestres fazendo om que as proporções do derramamento se tornem enormes.

95 Apêndie A 95 Figura 65 - Derramamento de óleo em ambientes aquátios Projeto PIATAM PIATAM é a denominação abreviada do projeto Monitoramento das Áreas de Atuação da Petrobras: Poteniais Impatos e Risos Ambientais da Indústria do Petróleo e Gás no Amazonas. As áreas de abrangênia do PIATAM são as rotas fluviais de transporte de Petróleo, gás e derivados da Petrobras e suas ontratadas no Estado do Amazonas, nos trehos Manaus Terminal do Solimões Coari lago Coari Uruu. A metodologia proposta no projeto prevê a onstrução de Sistemas de Informações Ambientais Georrefereniados, assoiados aos levantamentos de ampo e apliados ao planejamento, à prevenção e ao ontrole das atividades da indústria do petróleo, inluindo a modelagem das variações sazonais do nível das águas das baias hidrográfias envolvidas. O Projeto iniiou-se no mês de janeiro de 00, om o projeto PIATAM I Poteniais Impatos Ambientais do Transporte Fluvial de Gás Natural e Petróleo na Amazônia: Análises de Risos, Planos de Contingênia e Estratégias de Reuperação de Áreas Impatadas, tendo omo exeutora a Universidade Federal do Amazonas UFAM, por meio do Centro de Ciênias do Ambiente CCA e omo finaniadora a Finaniadora de Estudos e Projetos do Ministério da Ciênia e Tenologia FINEP, om reursos do Fundo Naional de Devolvimento Científio e Tenológio FNDCT Ctpetro. O Projeto apretou omo objetivo identifiar os prinipais pontos de riso de transporte fluvial de gás natural e petróleo, bem omo identifiar e avaliar os prinipais impatos nas áreas potenialmente afetadas, omo forma de

96 Apêndie A 96 subsidiar a elaboração de planos de ontingênia e de reuperação de áreas impatadas. O PIATAM II, finaniado pela Petrobras e pela FINEP, iniiou suas atividades em janeiro de 00, e se onstituiu no segundo ilo do PIATAM. Esse Projeto apretou omo objetivo prinipal estruturar e disponibilizar informações sobre a produção, transporte e refino de gás e petróleo no Estado do Amazonas, através do monitoramento e da avaliação de risos ambientais dessas atividades, visando à redução de danos ao meio ambiente e às populações humanas provoados por eventuais vazamentos. Conluído em junho 004, o PIATAM II foi resultado do esforço interdisiplinar e interinstituional de pesquisadores, ténios e bolsistas da Universidade Federal do Amazonas UFAM, do Instituto Naional de Pesquisas da Amazônia INPA, do Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro COPPE-UFRJ e do Instituto de Tenologia da Amazônia UTAM, instituições interessadas na apliação de modernas ténias de monitoramento das atividades da Petrobras na Amazônia, om base nos prinípios de gestão, integrando oneitos de meio ambiente, de qualidade, de saúde e de segurança operaional em projetos de pesquisa. O Projeto PIATAM II ontou, também, om a olaboração da Fundação Centro de Análise, Pesquisa e Inovação Tenológia FUCAPI, do Centro Integrado de Ensino Superior do Amazonas CIESA, do Centro Regional de Vigilânia de Manaus CRV e do Sistema de Proteção da Amazônia SIPAM. O PIATAM é hoje uma grande iniiativa de pesquisa sóio-ambiental que, além de ontar om o apoio da Petrobras e da Finaniadora de Estudos e Projetos Finep, agrega importantes instituições de pesquisa do País e ainda alguns subprojetos. Tudo isso fez om que a Finep o reonheesse não mais omo um projeto, mas sim omo um programa sistemátio e de longo prazo.

97 Apêndie A 97 Figura 66 - Exursão do Projeto PIATAM em Setembro de 005. O projeto PIATAM realiza quatro exursões por ano, perorrendo era de 40 km do Rio Solimões, entre Manaus e Coari, oletando dados ambientais e soioeonômios da região onde a Petrobras realiza uma série de operações. Quando o rio Solimões transborda, alaga uma área de 40 quilômetros de extensão ao longo de suas margens. Num espaço de três a quatro meses, as águas do Solimões nas proximidades de Coari, 360 quilômetros a oeste de Manaus, podem atingir a espantosa diferença de até 5 metros entre a heia e a sea. As exursões são trimestrais para poder estudar os períodos de sea, enhente, heia e vazante que o rio apreta ao longo de um ano. Figura 67 - Pesquisadores do INPA e da UFAM oletando amostras na Exursão do PIATAM Proposta do Laboratório de Robótia do CENPES Sabendo das difiuldades que os pesquisadores enontram em se desloar nas mais variadas onfigurações: água, terra e marófitas aquátia, e monitorar enários adversos, o Laboratório de Robótia do Centro de Pesquisa da Petrobras -

98 Apêndie A 98 CENPES propôs a riação de sistemas móveis tais omo: veíulos tripulados, semi-autônomos ou tele-operados, que possam dar ondições para que o homem onsiga realizar atividades em loais de difíil aesso e onsequentemente pouo onheidos e estudados. Loais onde o homem não pode permaneer ou mesmo penetrar deverão ser monitorados e, em asos extremos, serem atendidos om reursos de ontingênia. Figura 68 - Difiuldades e perigo enontrado pelos pesquisadores em se loomover. Em Setembro de 005, foi apretado e testado, em ondições reais, o primeiro protótipo desse sistema, para avaliação dos oneitos propostos. Esse sistema irá se hamar Robô Ambiental Híbrido Chio Mendes e irá realizar medições, oletar dados e amostras e exeutar tarefas nestes ambientes inóspitos, do apaz de superar obstáulos, podendo se loomover sobre água, terra, terrenos alagados, pântanos e brejos. No apítulo seis será detalhado todo o projeto desse robô e seus primeiros testes estão desritos no Apêndie A.

99 Apêndie B 99 0 Apêndie B Testes na Amazônia om o Primeiro Protótipo: Primeiro Teste 03 de Setembro de 005 Comunidade: Santa Luzia do Baixio Loalidade: Ilha do Baixio Muniípio: Iranduba Para poder omandar o robô utilizando apenas uma âmera de vídeo omo referênia dos seus movimentos, foi neessário montar a ada operação uma pequena base que servia de ofiina e permitia ontrolar o robô om segurança. Como primeira experiênia, o loal esolhido foi dentro do próprio baro da exursão do PIATAM. O protótipo foi montado e testado dentro do baro e em seguida levado, om auxílio de uma voadeira baro motorizado omum na região, para uma margem relativamente próxima aproximadamente 50m. Com muita autela dava-se iníio a primeira operação do robô. O veíulo subiu lentamente pela enosta da margem, hegando ao topo e depois retornou para o baro pela água onde possibilitou testar as suspensões. Este primeiro protótipo já possibilitava uma regulagem na ambagem das rodas, aumentando a distânia do fundo do veíulo em relação à superfíie em questão e modifiando o ângulo de ataque das rodas om o solo. Neste aso, omo aumentava a área de ontato da roda om o terreno, o atrito observado era superior aos que foram testados anteriormente pelo robô. O terreno se assemelhava a uma lama bem fina exigindo o máximo de potênia dos motores das rodas.

100 Apêndie B 00 Figura 69 - Primeiro teste na Amazônia do Robô Ambiental Híbrido. Segundo Teste 05 de Setembro de 005 Comunidade: Nossa Senhora das Graças Loalidade: Costa do Pesqueiro II Muniípio: Manaapuru O teste foi realizado no Lago Preto, loal monitorado frequentemente pelos pesquisadores da UFAM e do INPA. Foi um teste mais rápido, aproximadamente 45 min, mais serviu para onheer outro tipo de terreno. Diferente do anterior, este terreno era mais seo e os motores das rodas trabalharam om uma erta folga. Porém, houve difiuldade de vener a vegetação loal que era omposta de plantas flutuantes e anaranas. Figura 70 - Teste no Lago Preto Manaapuru.

101 Apêndie B 0 -Tereiro Teste 06 de Setembro de 005 Comunidade: Nossa Senhora de Nazaré Loalidade: Costa do Paratari Muniípio: Manaapuru Este teste foi surpreendente, pois mostrou um novo desafio a ser superado. Um terreno que se origina pela sea do rio formando uma lama muito fina que pareia areia movediça, impedindo qualquer movimento do robô. Como o veíulo fiou preso, foi neessário estudar maneiras de resgatá-lo e aproveitar para oletar amostras desse solo para melhor onheê-lo. Essa amostra se enontra no CENPES onde pesquisadores estudam qual material pode ter melhor aderênia para adaptarmos as rodas. Figura 7 - Teste na Costa do Paratari Manaapuru. Após resgatar o robô e onstatar que estava em perfeito estado, optou-se em ontinuar o teste em um lago que permitia avaliar outros oneitos, omo veloidade e flutuabilidade variando a ambagem das rodas. Esse lago apretava em sua margem uma vegetação formada por anaranas, que ao atravessá-la enontrava terra firme. Esta nova superfíie era omposta de uma areia fina, de quilômetros de extensão, que não difiultava a loomoção do veíulo, possibilitando inlusive alterar a ambagem em terra sem forçar o motor que omandava as suspensões.

102 Apêndie B 0 Figura 7 - Teste no Lago Preto Manaapuru. Quarto Teste 07 de Setembro de 005 Comunidade: Bom Jesus Loalidade: Paraná do Iauara Muniípio: Manaapuru Neste loal havia água alma, um terreno pantanoso e também uma vegetação flutuante marófitas que era um novo desafio que se interessava estudar. Como essa é a ondição mais omum que o robô irá enfrentar na região de monitoramento, era neessário saber o omportamento do veíulo sobre essa vegetação e omo superar os obstáulos utilizando a ambagem das rodas variando a superfíie de ontato, interferindo diretamente no atrito e alterando a força nas rodas devido à mudança do raio de ação. Este teste serviu omo um valioso instrumento de estudos de oneitos a serem apliados nos próximos robôs, e apontou para a direção que deveriam ser onduzidos os novos estudos. Figura 73 - Teste no Paraná do Iauara Manaapuru.

103 Apêndie B 03 Quinto Teste 09 de Setembro de 005 Comunidade: Matrinxã Loalidade: Costa do Matrinxã Muniípio: Codojás Nesse loal havia um trono atravessado no rio. Optou-se em oloar o robô para tentar atravessar mais esse desafio. Como os testes anteriores exigiram muito esforço das engrenagens dos motores das rodas, esta não suportou e fraturou, mas logo foi troada, deixando-o novamente operaional. Figura 74 - Teste na osta do Matrinxã Codojás. Sexto Teste de Setembro de 005 Comunidade: Santa Luzia do Buiuçuzinho Loalidade: Costa do Buiuçuzinho Muniípio: Coari Este último teste só foi realizado pela importânia do loal, Lago Coari, pois nessa região têm aonteido asos preoupantes de malária e a oleta de amostras desse lago tem sido aompanhada om muita atenção pelos pesquisadores da Amazônia.

104 Apêndie B 04 Figura 75 - Teste no Lago Coari Coari. Os resultados obtidos na primeira viagem à Amazônia trouxeram grande inspiração para a onstrução de um outro robô mais robusto e dotado de inteligênia embarada, sores e um manipulador om três graus de liberdade. Teste na Amazônia om o Segundo Protótipo: Em Maio de 006, na Amazônia, o robô foi testado, agora no período em que o Rio Solimões enontrava-se heio. Para viabilizar o teste, foi neessário mobilizar uma balsa da Petrobras que servia omo ofiina para montar e desmontar o robô e preparar ada operação. Para auxiliar na manipulação do robô, que pesa aproximadamente 5 kg, foi mobilizado um aminhão munk. Figura 76 - Robô do oloado na água pelo aminhão munk.

105 Apêndie B 05 Primeiro Teste de Maio de 006 Comunidade: Santa Luzia do Baixio Loalidade: Ilha do Baixio Muniípio: Iranduba Nessa viagem a huva atrapalhou muito e, omo o robô ainda não estava totalmente vedado, ele só pode ser testado quando o tempo estava melhor. Este teste foi feito em duas etapas, a primeira de manhã e a outra à tarde. Na primeira etapa do teste, o robô foi oloado na água e uidadosamente testado em todas as suas funionalidades. Esse veíulo era operado ora om a sonda de multi-parâmetros, ora om o oletor de amostras, ambos fixados no manipulador de três graus de liberdade, que failitava a oleta. O oletor de amostras é um reipiente de arílio preso a uma âmera submarina que permite uma análise visual simples da porção de água oletada. A sonda permite fazer a leitura de alguns parâmetros químios da água, omo por exemplo: PH, oxigênio dissolvido, salinidade, temperatura e ondutividade. Figura 77 - Teste na Ilha do Baixio Iranduba Na segunda etapa do teste, o robô foi tele-operado até hegar a um lago, que estava a uma distânia de 600 metros da base, ruzando loais onde havia moradia, ausando erto espanto nos moradores. Neste treho, todo o movimento foi aompanhado de perto por um pequeno baro de apoio que servia também para auxiliar na ondução do robô e esolher a trajetória.

106 Apêndie B 06 Segundo Teste de Maio de 006 Comunidade: Santa Luzia do Baixio Loalidade: Ilha do Baixio Muniípio: Iranduba Figura 78 - Teste na Ilha do Baixio Iranduba. Como estava no período da heia do Rio Solimões, quase toda região estava alagada e o robô só enfrentava difiuldades para desviar de árvores e superar a grande quantidade de tronos que apareiam no trajeto. Figura 79 - Teste na Ilha do Baixio Iranduba.

107 Apêndie B 07 Tereiro Teste de Maio de 006 Comunidade: Nossa Senhora das Graças Loalidade: Costa do Pesqueiro II Muniípio: Manaapuru A omunidade Nossa Senhora das Graças pertenente ao muniípio de Manaapuru foi o loal esolhido para realização do tereiro teste om o robô ambiental híbrido. Nesta omunidade, o engenheiro Ney Robinson realizou uma palestra na Esola Muniipal Getúlio Vargas, om o objetivo de apretar à omunidade, aos professores e aos alunos o robô que logo fará parte do onvívio deles. Figura 80 - Palestra na Esola Muniipal Getúlio Vargas Manaapuru. Depois da apretação feita na esola, foi feito um onvite para aompanhar parte do teste. Como havia ansiedade em relação à reação da omunidade, surpreendeu o fato de ver quão interessados estavam os ribeirinhos ainda que om um pouo de reeio do desonheido robô. Para este teste, o operador fiou no baro onde foi instalado a base de ontrole e o omando era enviado ao robô mediante as ordens emitidas através de um rádio de mão pela equipe que se enontrava próximo ao veíulo. Como havia uma grande quantidade de rianças aompanhando este teste, todo e qualquer movimento era primeiramente estudado para garantir a segurança das mesmas.

108 Apêndie B 08 Figura 8 - Teste aompanhado pela omunidade. A próxima etapa de teste onsistia em onduzir o robô mata adentro para avaliar o omportamento da omuniação, monitorando assim a potênia do sinal reebido e omparando om valores de espeifiação. Figura 8 - Teste no Lago do Tamanduá Manaapuru. Como nesta etapa o operador não tinha nenhuma visibilidade do robô, a operação foi dividida em duas partes: primeiro o operador obedeia à equipe que aompanhava os testes o mais perto possível; e depois, utilizando a âmera de vídeo do robô, o onduziu de volta a base. Sem o auxílio da equipe que estava dando suporte na trajetória o robô na volta, a operação demorou o dobro do tempo que na ida.

109 Apêndie B 09 Figura 83 - Imagens aptadas pelo Robô Ambiental Híbrido.