PROJETO E DESENVOLVIMENTO DOS SISTEMAS DE

CONTROLE DE SUBMERSÃO E DIRIGIBILIDADE DE

UM VEÍCULO SUBAQUÁTICO AUTÔNOMO

Maurício de Castro Pereira

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola

Politécnica, Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como parte dos requisitos necessários à

obtenção do título de Engenheiro.

Orientadores: Fábio Nascimento de Carvalho

Carlos José Ribas D’Ávila

Rio de Janeiro

Dezembro de 2015

ii

PROJETO E DESENVOLVIMENTO DOS SISTEMAS DE

CONTROLE DE SUBMERSÃO E DIRIGIBILIDADE DE

UM VEÍCULO SUBAQUÁTICO AUTÔNOMO

Maurício de Castro Pereira

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE COMPUTAÇÃO DA ESCOLA POLITÉCNICA

DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO

ELETRÔNICO E DE COMPUTAÇÃO

Autor:

_________________________________________________

Maurício de Castro Pereira

Orientador:

_________________________________________________

Eng. Fábio Nascimento de Carvalho, D. Sc.

Orientador:

_________________________________________________

Prof. Carlos José Ribas D’Ávila, M. Sc.

Examinador:

_________________________________________________

Prof Joarez Bastos Monteiro, D. Sc

Examinador:

_________________________________________________

Prof. Mauros Campello Queiroz, M. Sc.

Examinador:

_________________________________________________

Eng. Luiz Felipe Maciel Vieira de Moraes, M. Sc.

Rio de Janeiro – RJ, Brasil

Dezembro de 2015

iii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Escola Politécnica – Departamento de Eletrônica e de Computação

Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária

Rio de Janeiro – RJ CEP 21949-900

Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que

poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar

qualquer forma de arquivamento.

É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre

bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou

venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem

finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.

Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es).

iv

DEDICATÓRIA

Aos meus pais, por todo apoio, amor e carinho.

v

AGRADECIMENTOS

Agradeço aos meus orientadores Fábio e Casé pelo incentivo e paciência durante essa

jornada, bem como todos os professores com quem tive a felicidade de conviver.

Agradeço à toda a equipe do LIOc: Luiz Felipe, Gabriel, Kim, Jonathan, Matheus,

William, Pedro, Leonardo e Karoline, em especial a Lilian, pois sem ela eu não superaria

a burocracia de compra da faculdade.

Por fim, agradeço ao meu grande amigo Rafael Mazza, certamente a graduação seria mais

difícil e muito menos engraçada sem ele, verdadeiro parceiro de ideias.

vi

RESUMO

Este trabalho descreve as etapas de projeto do aparato mecânico e do controle

eletrônico do protótipo de um veículo subaquático autônomo, sem motor de propulsão,

capaz de se locomover apenas variando seu empuxo. Com a especificação dos requisitos

de projeto e o desenvolvimento da parte teórica, fez-se um levantamento das opções de

mercado para os componentes dos cinco sistemas (pitch, roll, empuxo, controle e

comunicação) que compõem o veículo. Por fim, foram realizados testes de bancada para

garantir que os módulos desenvolvidos atendem as especificações de projeto.

Palavras-Chave: glider, pitch, roll, empuxo, glider.

vii

ABSTRACT

This paper describes the project steps towards mechanical tool and the electronic

prototype of an autonomous underwater vehicle, without propulsion engines, managing

to move on its own through variations on its buoyancy. Through the required project

descriptions and the development of theoretic aspects, a survey was carry out with

references to discussing marketshare possibilities concerning its five system components

(pitch, roll, buoyancy, control and communication devices). Finally, tests were taken to

ensure that the developed units meet the project specifications.

Key-words: glider, pitch, roll, buoyancy, glider.

viii

SIGLAS

ADC – Analog-to-digital converter (Conversor analógico-digital)

ARM – Advanced RISC Machine (Máquina avançada de RISC)

AUV – Autonomous Underwater Vehicle (Veículos Submarinos Autônomos)

COPPE – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa de Engenharia

GND – Ground (Terra)

GPIO – General Purpose Input/Output (Portas programáveis de entrada e saída de

dados)

GPRS – General packet radio service (Serviço de rádio de pacote geral)

GPS – Global Positioning Systems (Sistema de posicionamento global)

GSCAR – Grupo de Simulação e Controle em Automação e Robótica

GSM – Global System for Mobile Communications (Sistema global para comunicações

móveis)

HSDPA – High-Speed Downlink Packet Access (Link de download do pacote de acesso

de alta velocidade)

IMU – Internal Measurement Unit (Unidade de medição interna)

INS – Inertial navegation System (Sistema de navegação inercial)

IP – International Protection (Proteção internacional)

LEAD – Laboratório de Controle e Automação, Engenharia de Aplicação e

Desenvolvimento

LIOc – Laboratório de Instrumentação Oceanográfica

RISC – Reduced Instruction Set Computer (Computador com um conjunto reduzido de

instruções)

ROV – Remotely Operated Vehicles (Veículos operados remotamente)

SisCAT – Sistema de Controle, Aquisição e Telemetria

SSR – Solid State Relay (Relé de estado sólido)

UAV – Autonomous Underwater Vehicle (Veículo subaquático autônomo)

UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro

UUV – Unmanned Underwater Vehicles (Veículos subaquáticos não tripulados)

VCC – Tensão de alimentação

VSA – Veículos Submarinos Autônomos

WCDMA – Wide-Band Code-Division Multiple Access (Divisão de código de acesso

múltiplo de banda larga)

ix

Sumário

1 Introdução 1

1.1 - Veículos subaquáticos operados remotamente (ROV) . . . . . . 2

1.2 - Veículos subaquáticos autônomos (VSA) . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.1 - Veículos com motorização ativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.2 - Veículos sem motorização ativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.2.1 - Glider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.2.2 - Wave Glider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.2.3 - Thermal Glider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.3 - Híbrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3 - Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4 - Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5 - Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6 - Requisitos do projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.6.1 - Tabela de Navegação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Projeto Eletromecânico 13

2.1 - Sistema de controle de empuxo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.1 - Princípio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.2 - Escolha do atuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1.3 - Controle de Profundidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1.3.1 - Conversor Analógico-Digital . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.4 - Sistema de segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.4.1 - Sensor de fim de curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

x

2.1.5 - Driver do atuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2 - Sistema de controle de roll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.1 - Princípio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.2 - Motor de passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.3 - Sistema de segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.2.3.1 - Sensor de fim de curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.2.3.2 - Circuito de proteção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2.4 - Driver do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.3 - Sistema de controle de pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.3.1 - Princípio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.3.2 - Escolha do motor de passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.3.3 - Sistema de segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.3.3.1 - Sensor de fim de curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.3.4 - Driver do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.4 - Sensor Inercial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.5 - Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.1 - Modem 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.2 - Modem Wi-fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.6 - Diagrama Elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3 Sistema de Controle 48

3.1 - Sistema de Controle, Atuação e Telemetria (SisCAT) . . . . . 50

3.1.1 - Arquitetura do SisCAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.1.2 - Raspberry B+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.2 - Malha de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.2.1 - Máquina de Estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

xi

3.2.2 - Controle de Empuxo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.2.3 - Controle de Pitch e Roll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.2.3.1 - Controle PI, PD e PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4 Montagem e testes 59

5 Resultados, conclusão e trabalhos futuros 63

5 Apêndice A – Máquina de Estados 65

Bibliografia 65

xii

Lista de Figuras

1.1 – Diagrama da divisão entre os tipos de UUVs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 – Veículo subaquático operando remotamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 – ROV LUMA desenvolvido pelo GSCAR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 – ROV LUMA adaptado pelo LEAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5 – VSA MBARI, com motorização ativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.6 – Esquema do movimento de um underwater glider com motor de propulsão. 6

1.7 – O movimento do glider e sua análise de forças . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.8 – Princípio de operação de um wave glider. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.9 – Foto de um glider elétrico (em cima) e um térmico (em baixo). . . . . . . . . . . 9

1.10 – Veículo subaquático autônomo com motor de propulsão da EXOCETUS . 9

2.1 – Ângulo de pitch, roll e yaw em uma embarcação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 – Modelo do glider com os sentidos dos ângulos de pitch, roll e yaw

explicitados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.3 – Modelo do glider com seu interior a mostra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 – Sistemas de empuxo (amarelo), roll (vermelho) e pitch (verde) em detalhe . 15

2.5 – Diagrama de funcionamento do sistema de empuxo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.6 – Posição do êmbolo para o glider submergir (A) e emergir (B) . . . . . . . . . . 16

2.7 – Modelo esquemático do cilindro de empuxo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.8 – Dimensões físicas (em milímetros) do atuador linear LAS5A-1 da Mectrol 19

2.9 – Sensor de pressão série industrial da Velki Instrumentos . . . . . . . . . . . . . . 20

2.10 – Conexões elétricas do sensor da Velki Instrumentos . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.11 – Conversor Analógico-Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.12 – Conexão de quatro sensores no modo de medição absoluta . . . . . . . . . . . . 22

2.13 – Conexão de dois sensores no modo de medição diferencial . . . . . . . . . . . . 23

2.14 – Filtro RC na configuração padrão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

xiii

2.15 – Diagrama de blocos do módulo adc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.16 – Reed switch respondendo em nível lógico baixo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.17 – Módulo com 2 relés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.18 – Esquema elétrico de um dos relés da placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.19 – Diagrama de funcionamento do sistema de roll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.20 – Dimensões físicas da bateria Moura VRLA 12V 9Ah . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.21 – Corte transversal do glider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.22 – Esquema de pulsos de um motor de passos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.23 – Interior de um motor de passos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.24 – Dimensões físicas do motor de roll da Kalatec. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.25 – Padrão de ligação elétrica do motor de roll da Kalatec . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.26 – Sensor de fim de curso NS3-060D da Metaltex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.27 – Relé temporizador OPT da Metaltex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.28 – Esquema elétrico do sistema de segurança dos motores de passo . . . . . . . 36

2.29 – Driver Tb6560 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.30 – Ligação elétrica do driver Tb6560 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.31 – Formas de onda do modo decaimento do driver Tb6560 . . . . . . . . . . . . . 40

2.32 – Diagrama de funcionamento do sistema de pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.33 – Dimensões físicas do motor de pitch da Kalatec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.34 – Chave de fim de curso miniatura TZ3112 da Metaltex . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.35 – Sensor Inercial MTi-g-700 da XSens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.36 – Mini modem USB Huawei E173 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.37 – Mini modem USB 2.0 Wifi da EDUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.38 – Diagrama elétrico do glider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.1 – Diagrama de funcionamento do sistema de pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.2 – Arquitetura de sistema do SisCAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.3 – Modelo Raspberry B+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

xiv

3.4 – Estados de missão do glider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.5 – Diferenças entre o controlador tipo P, PI e PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.6 – Malha de controle de pitch e roll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.1 – Desenho final do glider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.2 – Foto do glider montado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.3 – Sistema de roll girado de 10 passos no sentido horário . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.4 – Sistema de roll girado de 10 passos no sentido anti-horário . . . . . . . . . . . . 61

4.5 – Sistema de pitch na sua excursão mínima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.6 – Sistema de pitch na sua excursão máxima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.7 – Sistema de empuxo na posição correspondente ao tanque de lastro cheio . . 63

4.8 – Sistema de empuxo na posição correspondente ao tanque de lastro vazio . . 63

A.1 – Bloco de operação do driver físico da máquina de estados . . . . . . . . . . . . 69

A.2 – Bloco de operação com subitens da máquina de estados . . . . . . . . . . . . . . 69

A.3 – Bloco de operação lógica da máquina de estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

A.4 – Bloco que representa uma tarefa da máquina de estados . . . . . . . . . . . . . . 69

A.5 – Bloco que representa uma tarefa da máquina de estados . . . . . . . . . . . . . . 69

A.6 – Estado de inicialização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

A.7 – Estado de calibração de empuxo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

A.8 – Estado de calibração de pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

A.9 – Estado de calibração de roll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

A.10 – Estado de pré-navegação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

A.11 – Estado de navegação (parte 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

A.12 – Estado de navegação (parte 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

A.13 – Estado de navegação (parte 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

A.14 – Estado de superfície . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

A.15 – Estado de emergência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

xv

xvi

Lista de Tabelas

1.1 – Exemplo da tabela de navegaçao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1 – Diferenças entre a versão de 12 e a de 16 bits do módulo adc . . . . . . . . . . . 22

2.2 – Tensão de fundo de escala em relação ao ganho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3 – Tabela verdade do controle do módulo de 2 relés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.4 – Configuração dos swithces SW1, SW2 e SW3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.5 – Configuração dos swithces S1 e S2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.6 – Configuração dos swithces S3 e S4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.7 – Configuração dos swithces S5 e S6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1

Capítulo 1

Introdução

Em missões longas nos oceanos, os objetivos tendem a se tornar cada vez mais

complexos em função das mudanças no ambiente. Problemas ocorrem com as mais

diversas causas: falha instrumental, perda da comunicação com um operador,

incapacidade de traçar o perfil do fundo do oceano e consumo de energia maior do que o

esperado, por exemplo. O ambiente do oceano pode e irá mudar devido a fortes correntes

marítimas inesperadas, o mau tempo interferindo na comunicação e nas condições de

propagação, topografia desconhecida, obstruções, ilhas, mudanças na salinidade, etc.

Dessa forma, para a missão de um veículo submarino ser bem sucedida, deve-se levar em

consideração todos esses aspectos uma vez que, em caso de falha, o procedimento de

resgate é muito custoso e diversas vezes simplesmente impraticável, em especial nas

expedições realizadas nos pólos do planeta, onde a superfície do oceano chega a congelar

(Seto et al., 2012 [1]).

Nesse cenário, os veículos submarinos não tripulados (UUVs, do inglês

Unmanned Underwater Vehicles) representam uma alternativa importante, já que

possuem um relativo baixo custo (quando comparados aos navios) e não colocam em

risco vidas humanas (Kuhn et al., 2011 [2]). Com o avanço no seu desenvolvimento, os

UUVs se tornaram importantes ferramentas de pesquisa, exploração e coleta de amostras

em ambientes imersos, permitindo, por exemplo, a detecção da poluição marítima

causadas por substâncias químicas (Pinto, 2009 [3]).

Seto et al. (2012) [1] classificam os UUVs em duas categorias: os veículos

subaquáticos operados remotamente (ROV, do inglês Remotely Operated Underwater

Vehicle) e os subaquáticos autônomos (VSAs, Veículos Submarinos Autônomos ou

AUVs, do inglês Autonomous Underwater Vehicle), ambos com aplicação tanto na área

militar (por exemplo, localização de minas navais), quanto na área civil (por exemplo,

mapeamento geomorfológico do fundo marinho).

Graver (2005) [4] descreveu vários tipos de VSAs, ressaltando, como aspecto

diferenciador, a forma de propulsão. O diagrama apresentado na figura 1.1, diferencia os

2

modelos operados remotamente (ROV), os autônomos (VSA) e suas derivações, os quais

serão detalhados a seguir:

UUV

Operados remotamente (ROV)

Autônomos (VSA)

Motorização ativa Sem motorização ativa Híbridos

Glider

Wave Glider

Thermal Glider

Figura 1.1 – Diagrama da divisão entre os tipos de UUVs. Fonte: Elaborado pelo autor.

1.1 – Veículos operados remotamente (ROV)

São veículos não-tripulados, projetados para realizar tarefas de precisão, operados

por controle remoto através de um cabo umbilical que os liga com a superfície (Figura

1.2).

De acordo com Goulart (2007) [5], esses veículos têm sido utilizados para realizar

uma ampla variedade de funções. Geralmente, os robôs submarinos substituem os

mergulhadores e conseguem atingir profundidades nunca antes exploradas. São usados

para tarefas de observação subaquática, estudos científicos sobre os habitats oceânicos,

localização e resgate de destroços de navios ou de aviões, sondagens dos solos marinhos

para estudos científicos, inspeção e reparo de cabos de telecomunicações subaquáticos,

operações de perfuração de petróleo e gás, como apoio para construções submersas, entre

outros.

3

Figura 1.2 – Veículo subaquático operando remotamente. Fonte: http://shipwreck.net/g2/gallery2/v/Vesselsandtechnology/rov_zeus/zeus.JPG.html

Para Kuhn et al. (2011) [2], no Brasil existem poucos desenvolvimentos na área

de robótica subaquática e, de uma forma geral, a pesquisa nessa área ainda é incipiente,

se comparada em nível mundial. No Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e

Pesquisa de Engenharia (COPPE), localizado na Universidade Federal do Rio de Janeiro

(UFRJ), foi desenvolvido originalmente pelo Grupo de Simulação e Controle em

Automação e Robótica (GSCAR) o ROV LUMA (Figura 1.3), com o objetivo de

inspecionar túneis de adução de usinas hidrelétricas. Posteriormente, o Laboratório de

Controle e Automação, Engenharia de Aplicação e Desenvolvimento (LEAD) adaptou o

veículo (Figura 1.4) para fazer a coleta de dados e amostras ambientas, o levantamento

fotográfico e obter imagens de vídeo de alta qualidade das formas de vida marinha

encontradas no fundo da Baía do Almirantado, na Antártica.

Figura 1.3 – ROV LUMA desenvolvido pelo GSCAR. Fonte: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.499.9956&rep=rep1&type=pdf

4

Figura 1.4 – ROV LUMA adaptado pelo LEAD. Fonte: http://gscar.coppe.ufrj.br/?portfolio=projeto-luma

1.2 – Veículos Submarinos Autônomos (VSA)

São veículos de mergulho livre (sem ligação física com o exterior) que possuem

alimentação própria, capacidades de percepção sensorial, tomada de decisão, execução

de tarefas prédeterminadas, controle de movimento e precisão de posicionamento,

permitindo a exata definição dos locais onde os dados são coletados. Além disso,

possibilitam o resgate rápido do veículo para uma eventual manutenção (Leonard at al.,

1998 [6]; Battistella, 2014 [7]). Constituem, assim, uma tecnologia de vanguarda em

função da capacidade de aquisição e transmissão de uma grande quantidade de dados, de

natureza diversa, obtidos em diferentes profundidades (Ramos et al., 2000 [8]; Pinto,

2009 [3]).

Os VSA’s podem ser classificados como:

1.2.1 – Veículos com motorização ativa

O VSA da Monterey Bay Aquarium Research Institute (Figura 1.5), apelidado de

MBARI, serve como uma plataforma de ciência genérica e, para tal, requer uma troca

frequente de seus instrumentos embarcados. O veículo também é capaz de percorrer longa

distâncias sob o gelo do Ártico, como parte do Experimento de Mapeamento do Leito do

Atlântico (do inglês, Atlantic Layer Tracking Experiment). Esses requisitos díspares

deram a origem a um design modular, onde é possível substituir e reconfigurar de maneira

relativamente fácil os pedaços do corpo do veículo. A sessão da cauda é comum a todas

5

as configurações, carregando o básico para a navegação, controle eletrônico e sistema de

propulsão.

Este veículo possui, como único sistema de propulsão, um conjunto de hélices

articuladas ringwing, com uma estrutura em forma de anel ao redor para protege-las

fisicamente. Com a exceção da antena de RF/GPS montada verticalmente, o veículo

possui simetria axial. O leme e o controle de profundidade são dados por dois motores de

passo que conferem ao veículo uma variação direcional de ±15º (McEwen, 2006 [9]).

Figura 1.5 – VSA MBARI, com motorização ativa. Fonte: http://www.mbari.org/staff/rob/uustrep.pdf

1.2.2 – Veículos sem motorização ativa

Como destacado na figura 1.1, veículos sem motorização ativa podem ser

divididos em três categorias, detalhadas a seguir.

1.2.2.1 – Glider

O Underwater glider, chamado apenas de glider por Pinto (2009) [3], é um

veículo que consegue navegar submerso por longas distâncias, usando alterações no

empuxo para provocar o seu movimento (Figura 1.6). O deslocamento se dá através de

6

atuadores internos que alteram a posição do centro de gravidade e a flutuabilidade do

corpo, convertendo parte do movimento vertical em horizontal (com a ajuda das asas do

veículo). Desse modo, o veículo é impelido para frente, numa trajetória senoidal e com

um consumo muito baixo de energia (Guo e Kato, 2008) [10].

Figura 1.6 – Esquema do movimento de um underwater glider sem motor de

propulsão. Fonte: http://www.charterworld.com/news/ocean-robots-journey-pacific-ocean-scientific-discoveries

Embora não tão rápido quanto outros modelos de UUVs, o glider representa um

aumento significativo no alcance e duração das missões, se comparado aos veículos que

utilizam motores de propulsão elétricos, ampliando assim, o tempo de coleta de dados de

horas para semanas ou meses, com milhares de quilômetros percorridos (Mahmoudian,

2009 [11]).

Segundo Guo e Kato (2008) [10], existem quatro principais vantagens em se

trabalhar com gliders, além da longa duração de suas missões. O veículo é silencioso,

com mínimas chances de ser detectado pelo ambiente, pode traçar um perfil horizontal e

vertical de amostras, emergindo com frequência para uma correção de navegação,

utilizando o Global Positioning Systems (GPS), e possui capacidade de comunicação

bidirecional via satélite (recebe e transmite dados).

Esse planador submarino possui, a princípio, flutuabilidade neutra, movendo-se,

portanto, com uma pequena variação da mesma, do negativo para positivo, em um padrão

cíclico. Para tal, utiliza um motor de pistão de deslocamento ou um balão resistente à

pressão, com óleo no seu interior, para mover a água para dentro e para fora do tanque de

lastro. Uma outra opção é utilizar uma válvula de ventilação de ar comprimido que

7

expulsa o ar do tanque, como nos submarinos navais. Enquanto isso, uma massa interna

pode ser redistribuída para mudar a posição do centro de massa, o que resulta numa

mudança controlada do ângulo de inclinação do glider. O movimento vertical devido a

essas mudanças na flutuabilidade, bem como do ângulo de pitch, são convertidos em

movimento horizontal através de asas fixas em ambos os lados do glider. Assim, o

planador submarino pode se mover sem a necessidade de propulsores ativos (Guo, 2008

[10]; Arima et al.,2006 [12]).

De acordo com Guo e Kato (2008) [9], a trajetória em forma senoidal resultante

desse padrão de movimento é ilustrada na figura 1.7 em que G, F, L, D e V representam

gravidade, flutuabilidade (ou empuxo), lift da asa, arraste e direção do movimento,

respectivamente. O processo cíclico de mergulho e retorno a superfície também pode ser

visto nesta figura e estão descritos a seguir:

Figura 1.7 – O movimento do glider e sua análise de forças. Fonte:http://www.naoe.eng.osaka-

u.ac.jp/naoe/naoe7/MUG/Mini%20Underwater%20Glider%20(MUG)%20for%20Education.pdf

1. Para mergulhar, o pistão começa a bombear água para dentro do tanque de lastro

(diminuição do empuxo) e a massa interna é deslocada para frente (ângulo de pitch

negativo) com o intuito de inclinar o glider.

2. O glider desce, devido a sua flutuabilidade negativa e a componente horizontal do

lift, gerado pelas asas, o leva a se locomover com uma componente horizontal,

para frente.

3. Para subir, o pistão empurra a água para fora do tanque de lastro, fazendo o glider

flutuar (aumento do empuxo). A massa interna, então, é deslocada para trás, para

ajudar a inclinação da proa (pitch positivo).

4. Ele sobe, devido a flutuabilidade positiva, e a componente horizontal do lift

continua ajudando-o a se locomover para frente.

8

5. O glider retorna a superfície, realiza a transmissão dos dados e se prepara para o

próximo mergulho.

1.2.2.2 – Wave Glider

Este UUV desenvolvido pela empresa Liquid Robotics, chamado de Wave glider,

consegue utilizar a abundante energia das ondas para promover uma propulsão ilimitada.

Ele é constituído de duas partes. A primeira é composta pelo sistema de comunicação,

controle e flutuador, que fica na superfície da água. A segunda fica submersa, ligada por

um cabo à primeira parte. Juntas, elas convertem o movimento vertical em força de

propulsão de proa (Figura 1.8). Este tipo de veículo possui diversas aplicações que vão

desde medição de onda até monitoramento de mamíferos marinhos com o uso de sensores

acústicos (Manley, 2010 [13]).

Figura 1.8 – Princípio de operação de um wave glider. Fonte: http://www.charterworld.com/news/ocean-robots-journey-pacific-ocean-scientific-discoveries

1.2.2.3 – Thermal glider

De acordo com Davis et al. (2002) [14], o deslocamento do Thermal glider (Figura

1.9) depende da mudança de volume associada a fusão e ao ponto de congelamento de

um fluido dentro do range de temperatura dos oceanos. Em águas mais quentes o fluido

9

esquenta e expande, enquanto acontece a contração em temperaturas mais frias. A energia

proveniente dessa troca de temperatura é armazenada e utilizada como forma de pressão

para encher e esvaziar o tanque de lastro quando necessário (Davis et al., 2002 [14];

Graver, 2005 [4]).

Em missões com gliders movidos a energia elétrica, tem-se que 60 a 85% da

energia total consumida durante a missão se destina ao seu deslocamento (seja ela por

variações de empuxo ou por motores de propulsão), então, um glider movido a energia

térmica pode ter um alcance 3 a 4 vezes maior que um VSA não-térmico.

Figura 1.9 – Foto de um glider elétrico (em cima) e um térmico (em baixo). Fonte: http://www.ifremer.fr/lpo/gliders/donnees_tt/references/techno/4Gliders.pdf

1.2.3 – Híbrido

Projetado para operar em águas costeiras, onde as correntes são mais fortes e a

água possui menor densidade, em função do desague dos rios. O UUV da empresa

Exocetus (Figura 1.10) é um exemplo de veículo que possui um motor de propulsão e que

também utiliza um sistema de lastro adaptativo robusto (de 5 litros de capacidade).

Figura 1.10 – Veículo subaquático autônomo com motor de propulsão da

EXOCETUS. Fonte: http://planet-ocean.co.uk/wp/?p=1732

10

1.3 – Justificativa

Este estudo tem como motivação três elementos principais: o primeiro é o

interesse na elaboração de um veículo subaquático de alta tecnologia que agrega

conhecimento de diversas áreas. O segundo é torná-lo uma tecnologia brasileira, podendo

ser, não apenas economicamente viável, mas também uma opção tecnologicamente

independente de modelos importados. Por último, é a sua crescente aceitação como um

sistema que pode desempenhar um papel importante na maneira de se entender os

oceanos.

1.4 – Objetivos

Descrever as etapas de projeto do aparato mecânico e do controle eletrônico do

protótipo de um underwater glider, sem motor de propulsão. Tais etapas consistem em

definir os sistemas operacionais (sistema de empuxo, pitch, roll, controle e comunicação),

integrá-los e realizar testes de bancada.

1.5 – Metodologia

A partir da necessidade do Laboratório de Instrumentação Oceanográfica (LIOc)

da UFRJ de projetar um underwater glider, sem motor de propulsão, foram estabelecidos

os requisitos do projeto. Nesse sentido, este trabalho consiste de uma pesquisa

experimental, com abordagem quantitativa (Marconi e Lakatos, 2009 [15]), que descreve

as etapas de projeto e desenvolvimento dos sistemas de controle de submersão

e dirigibilidade de um veículo subaquático autônomo. Para tal, dividiu-se o

desenvolvimento em quatro sistemas (pitch, roll, empuxo e controle) que, quando

interligados, permitirão o deslocamento, dirigibilidade e controle necessários ao veículo.

O desenvolvimento de cada parte do sistema contou com uma etapa inicial teórica,

onde foram especificados os requisitos de cada componente. Em seguida, foi realizado

um levantamento de informações, através de uma coleta documental sistemática (Costa e

Costa, 2009 [16]) sobre as diferentes tecnologias disponíveis no mercado. Finalmente,

foram definidas as especificações dos componentes complementares, como os que

compõem os sistemas de segurança e drivers.

11

1.6 – Requisitos do projeto

Como requisitos do projeto, foram especificadas as seguintes características:

Profundidade máxima: 25 m

Autonomia: 12 horas

Tipos de Controle: Flutuabilidade, pitch e Roll

Comunicação: Wi-fi e 3G

Diâmetro interno máximo do corpo: 300 mm

Variação máxima de empuxo: 1 litro

Sensores: Pressão, Inerciais de ângulo de Pitch e Roll

O veículo navegará seguindo uma tabela de navegação

1.6.1 – Tabela de Navegação

A tabela de navegação (Tabela 1.1) contém a rotina de missão do glider. Nessa

tabela estão todos os dados necessários para controlar o mergulho. Ela é composta de três

parâmetros: profundidade, ângulo de pitch e ângulo de roll. O funcionamento do veículo

é baseado na diferença entre o valor da profundidade medida pelo sensor (profundidade

atual) e o valor da profundidade descrita em cada linha da tabela. Quando essa diferença

se torna nula, ou seja, a profundidade indicada na tabela foi alcançada pelo veículo, são

lidos os ângulos de pitch e roll da próxima linha. Nesse momento, são acionados os

respectivos sistemas de controle para que os ângulos medidos através do sensor inercial

(ângulos de pitch e roll atuais) se adequem aos novos valores. Dessa forma, durante a

navegação, são executadas três importantes funções: ler o sensor de pressão, comparar o

resultado dessa leitura com a próxima linha da tabela de navegação e executar a malha de

controle de cada sistema, utilizando os valores lidos da próxima linha como os novos

setpoint.

12

Tabela 1.1 – Exemplo da tabela de navegação.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Tabela de navegação

Profundidade

(metros) Pitch (± ppº) Roll (± ppº)

0 (Estado inicial) 45 0

8 30 0

12 0 0

15 - 45 0

3 30 0

0 45 0

13

Capítulo 2

Projeto Eletroeletrônico

Existem três ângulos importantes para se definir a rotação de uma embarcação,

são eles: pitch, roll e yaw (Figura 2.1). O ângulo de pitch define o ângulo de inclinação

do eixo transversal, o de roll é o ângulo com o eixo longitudinal e o yaw é a rotação em

torno do eixo vertical (Journeé e Pinkster, 2002 [17]). Para este protótipo não será

implementado o ângulo de yaw, isto é, a direção do glider não será aferida, uma vez que

os testes serão realizados em ambientes controlados, com o objetivo de comprovar a teoria

presente na literatura e testar os sistemas de atuação, controle e comunicação.

Na figura 2.2 têm-se o croqui do glider com seus respectivos ângulos de rotação

evidenciados.

Figura 2.1 – Ângulo de pitch, roll e yaw em uma embarcação. Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Rotations.png

14

Figura 2.2 – Modelo do glider com os sentidos dos ângulos de pitch, roll e yaw

explicitados. Fonte: Elaborado pelo autor.

O modelo de glider concebido necessitou de um conjunto de sistemas

operacionais para seu funcionamento, mostrados na figura 2.3 e ressaltados na figura 2.4:

controlador de empuxo (responsável por emergir e submergir), controlador de roll,

controlador de pitch, sistema de comunicação (para envio e recebimento de informação)

e uma malha de controle (que interliga todos os sistemas aos sensores e aos circuitos de

proteção).

O sistema de empuxo, responsável pela locomoção de um glider sem motor de

propulsão, atua inserindo e retirando um volume de água de um lastro, o que causa uma

mudança de direção da força de empuxo do veículo. Tal mudança cria um ângulo de pitch

primário para o glider, isto é, este se locomoverá com um ângulo padrão devido apenas

ao desequilíbrio de forças. Para realizar o ajuste fino desse ângulo primário, o veículo

conta com um sistema de controle de pitch, que move um conjunto de baterias ao longo

de um eixo principal. Há ainda o controlador de roll, que rotaciona o mesmo conjunto de

baterias do sistema de pitch em um ângulo com o eixo longitudinal, permitindo um ajuste

de estabilidade e concedendo ao glider a habilidade de realizar curvas com um ângulo

definido.

15

Figura 2.3 – Modelo do glider com seu interior à mostra. Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 2.4 – Sistema de empuxo (amarelo), roll (vermelho) e pitch (verde) em

detalhe. Fonte: Elaborado pelo autor.

16

2.1 – Sistema de controle de empuxo

2.1.1 – Princípio

Seu funcionamento se dá através do núcleo de processamento, que gera um sinal

de controle para o driver do atuador linear, fazendo com que o mesmo se expanda ou

retraia, de maneira a encher ou esvaziar um tanque de lastro. Dessa forma, o volume

interno será alterado e desestabilizará o equilíbrio de forças, causando a emersão ou

submersão do veículo (Figura 2.5). Na figura 2.6 temos o esquema do glider com as duas

posições do êmbolo possíveis.

Atuador Linear

Driver

Tanque de Lastro

Unidade de Controle

Figura 2.5 – Diagrama de funcionamento do sistema de empuxo. Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 2.6 – Posição do êmbolo para o glider submergir (A) e emergir (B). Fonte: Elaborado pelo autor.

17

O atuador linear que fará o papel de empurrar e puxar o êmbolo no tanque de

lastro precisa ser dimensionado de acordo com os valores de volume do tanque e de

profundidade máxima de mergulho contidos nos requisitos de projeto e destacados

abaixo:

Variação de volume total = 1 litro

Profundidade máxima = 25 metros

O cálculo da pressão sofrida pelo êmbolo na profundidade de 25 metros é dado

pela seguinte expressão:

𝑃@25𝑚 = 𝜌𝑔ℎ (1)

Onde

𝜌 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑎 á𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑟 = 1025 𝑘𝑔 𝑚3⁄

𝑔 = 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 9,8 𝑚 𝑠2⁄

ℎ = 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 25 𝑚

De (1), tem-se então:

𝑃@25𝑚 = (1025)(9,8)(25) = 251125𝑁

𝑚2 ≅ 2,56 𝑘𝑔𝑓

𝑐𝑚2

Na figura 2.7 têm-se o raio “r” de um cilindro de comprimento “L”, a força

exercida no braço do atuador “F” e a pressão a uma profundidade de 25 metros “P@25”.

Para variar 1 litro de água do mar, faz-se:

ΔV= πr²L (2)

r

P@25F

Figura 2.7 – Modelo esquemático do cilindro de empuxo. Fonte: Elaborado pelo autor.

18

Após um levantamento prévio dos valores de excursão padrão oferecidos pela

indústria, escolheu-se uma excursão de 200 mm para o atuador. Dessa forma, o cálculo

do raio do êmbolo baseado na equação (2) fica:

ΔV= πr2(200)= 106 mm³

πr2=5000 mm

r ≅40 mm=0,04 m

Para se calcular a máxima força exercida no braço do atuador usa-se a seguinte

expressão:

𝐹 = 𝑃@25𝑚𝐴 (3)

Onde

F = força resultante que atua no pistão

𝑃@25𝑚 = pressão na profundidade de 25 m

A = área do cilindro

Da equação (3), a força necessária para o atuador ter capacidade de movimentação

à 25m de profundidade vale:

𝐹@25𝑚 = (251125)(𝜋0,042) ≃ 1.262 𝑁

Portanto, foi necessária uma pesquisa dos tipos de atuadores presentes no mercado

nacional com o objetivo de identificar um modelo cuja especificação mínima de força

seja 1262 N e tenha um curso padrão de 200 mm.

2.1.2 – Escolha do atuador

Após este levantamento, escolheu-se o modelo Mectrol: Série HIWIN MIKRO

LAS5A-1-1-200-24GE por razões de preço, qualidade de atendimento e dimensões

físicas (Figura 2.8). Este atuador possui as seguintes características:

19

Figura 2.8 – Dimensões físicas (em milímetros) do atuador linear LAS5A-1 da

Mectrol. Fonte: http://www.mectrol.com.br/mectrol/pt/produto/visualizar/codproduto/85/atuador-linear-serie-las-

5.html

Força de Thrust (empurrar): 2000 N

Força de Pull (puxar): 2000 N

Força de Hold (manter): 1500 N

Velocidade de atuação: 3 mm/s

Stroke: 200 mm

Duty Cycle: 10%

Alimentação (VCC): 24 V

Consumo de corrente máximo: 2,3 A

2.1.3 – Controle de Profundidade

Para se saber em qual profundidade se encontra o glider enquanto este realiza uma

missão de mergulho, é necessário um sensor de pressão. Tal sensor (do tipo piezo-

resistivo) mede a variação de um elemento chamado diafragma, que, quando em contato

com a água, é pressionado com intensidade proporcional a da pressão exercida sobre ele.

Então, um circuito eletrônico transforma esta informação em um sinal proporcional de

corrente ou tensão, de acordo com o modelo.

Dos requisitos de projeto, destaca-se a profundidade máxima de operação de

25 metros, o que corresponde a uma pressão de aproximadamente 3 bar. Para atender à

essa especificação, faz-se necessário uma pesquisa de mercado dos diferentes modelos de

sensores de pressão disponíveis. Na figura 2.9 a seguir, identifica-se o modelo da Velki

20

Instrumentos, que foi escolhido pelo seu baixo custo, agilidade no atendimento e menor

prazo de entrega.

Figura 2.9 – Sensor de pressão série industrial da Velki Instrumentos. Fonte: http://velki.com.br/_files/catalogo/transmissor-de-pressao.pdf

Os Transdutores têm um elemento sensor piezo-resistivo que converte a pressão

aplicada pelo fluido em sinal elétrico, sendo este disponibilizado para leitura remota.

Suas características são:

Mede pressão relativa ou absoluta.

Faixas de pressão de 0 a 4 Bar

Sinal de saída: 10mV/V

Temperatura de operação: 0... 70ºC (opcional -25... 85ºC)

Exatidão de 0,25% FE

Fabricação nacional

Proteção IP65

Na figura 2.10, ilustra-se as conexões elétricas do sensor.

Figura 2.10 – Conexões elétricas do sensor da Velki Instrumentos. Fonte: Elaborado pelo autor.

21

2.1.3.1 – Conversor Analógico-Digital

Um dos requisitos do projeto é o sensor de pressão Velki Instrumentos (Figura

2.9), de onde podemos destacar uma saída de 0 à 5V analógica. O processador escolhido

não possui um conversor analógico-digital integrado, então, faz-se necessário especificar

um modelo para ser possível ler a saída do sensor de pressão.

O modelo em questão é um nanoshield ADC (Figura 2.11) de quatro canais,

implementado com o CI ADS1115 (na versão 16 bits) e ADS1015 (na versão de 12 bits),

ambos fabricados pela Texas Instruments. As diferenças entre as duas versões estão

explicitadas na tabela 3.1.

Figura 2.11 – Conversor Analógico-Digital. Fonte: https://www.circuitar.com.br/nanoshields/modulos/adc/

O conversor possui as seguintes características:

Versão em 12 ou 16 bits

4 entradas analógicas

Amplificador interno para sinais de baixa amplitude

Filtro RC em todos os canais

Entradas analógicas protegidas contra ligações acidentais até ± 20V

Consumo máximo de corrente de 300µA

22

Tabela 3.1 – Diferenças entre a versão de 12 e a de 16 bits do módulo adc.

Fonte: Elaborado pelo autor

Parâmetro ADS1115 ADS1015

Resolução 16 bits 12 bits

Alimentação de 2V à 5,5V de 2V à 5,5V

Intervalo de medidas 0V até VCC 0V até VCC

Amostras por segundo máx. 860 máx. 3300

As 4 entradas analógicas independentes podem ser configuradas tanto para leitura

de tensões absolutas (a tensão presente no canal é medida em relação ao GND do

módulo), quanto para leitura dos canais em modo diferencial (um canal é medido em

relação ao outro).

Para a medida de tensões absolutas, os terminais do sensor devem estar

conectados no GND e em uma das 4 entradas do módulo através do borne de parafuso.

As entradas estão nomeadas como A0, A1, A2 e A3 e têm intervalo de medida de 0V até

5V. Nesse tipo de conexão, a resolução passa a ser de 15 bits quando se utiliza o chip

ADS1115 e 11 bits quando de utiliza o chip ADS1015.

A figura 2.12 abaixo ilustra a conexão de 4 sensores com medição absoluta:

Figura 2.12 – Conexão de quatro sensores no modo de medição absoluta. Fonte: https://www.circuitar.com.br/nanoshields/modulos/adc/

No modo diferencial, os canais são lidos em relação ao outro, sendo portanto uma

configuração amplamente utilizada para a leitura de sensores como uma célula de carga,

ou quaisquer outros que funcionem utilizando uma ponte de Wheatstone, por exemplo.

Nesse tipo de conexão, é possível utilizar todos os bits de resolução, ou seja, 16 bits com

o chip ADS1115 e 12 bits com o chip ADS1015.

23

A figura 2.13 abaixo mostra um exemplo com dois sensores lidos em modo

diferencial:

Figura 2.13 – Conexão de dois sensores no modo de medição diferencial. Fonte: https://www.circuitar.com.br/nanoshields/modulos/adc/

O chip possui um amplificador interno com ganho ajustável, que pode ser

utilizado para aumentar a resolução quando o sinal de entrada possui baixa amplitude. O

ganho do amplificador pode ser configurado para 2/3, 1, 2, 4, 8 ou 16. A tabela 3.2 abaixo

mostra qual é a tensão de fundo de escala para cada um dos ganhos do amplificador

(tensão de fundo de escala é o maior valor de tensão que pode ser medido).

Tabela 3.2 – Tensão de fundo de escala em relação ao ganho.

Fonte: Elaborado pelo autor

Ganho Tensão de fundo de escala (V)

2/3 6,144*

1 4,906

2 2,048

4 1,024

8 0,512

16 0,256

* Embora a tensão de fundo de escala seja 6,144 para um ganho de 2/3, o

máximo valor de leitura continua sendo de 0 à 5V.

A tensão de entrada pode ser superior ao valor de fundo escala sem que o módulo

seja danificado. Por exemplo, mesmo utilizando ganho 16, onde a tensão de fundo de

escala é igual a 0,256V, o valor máximo de tensão suportado pelas entradas analógicas

continua sendo ±20V.

24

Há ainda um comparador interno programável, que pode ser configurado para

gerar um sinal de alerta quando o valor de tensão na entrada analógica excede algum

limite previamente configurado pelo usuário. Desse modo, o módulo é capaz de informar

ao microcontrolador sobre um evento desejado, sem que seja necessário medir

continuamente sua entrada.

Na configuração padrão de fábrica (leituras de 0 até 5V), o filtro RC tem

frequência de corte de aproximadamente 720 Hz na versão de 16 bits, e 1500 Hz na versão

de 12 bits. A figura 2.14 mostra a implementação padrão do filtro para a entrada A0 nas

versões de 12 e 16 bits.

Figura 2.14 – Filtro RC na configuração padrão. Fonte: https://www.circuitar.com.br/nanoshields/modulos/adc/ O Nanoshield ADC se comunica com o processador através de um barramento

I²C. Uma das vantagens do barramento I²C é a possibilidade de uso de vários módulos

simultâneos utilizando apenas 2 pinos do microcontrolador: um para a transmissão do

clock (SCL) e outro para transmissão de dados (SDA). Portanto, caso haja a necessidade

de mais entradas analógicas no futuro, pode-se utilizar quatro módulos adc em paralelo,

totalizando 16 entradas analógicas. A figura 2.15 ilustra o funcionamento de cada

módulo.

25

Figura 2.15 – Diagrama de blocos do módulo adc. Fonte: https://www.circuitar.com.br/nanoshields/modulos/adc/

2.1.4 – Sistema de segurança

O atuador linear não possui inteligência embarcada para detectar automaticamente

o fim de curso e interromper o funcionamento do seu motor para evitar que este queime.

Sendo assim, um sensor de fim de curso externo se torna essencial para o controle e

segurança do aparelho. Abaixo é detalhado este componente de segurança.

2.1.4.1 – Sensor de fim de curso

O sensor de fim de curso escolhido é um Reed Switch, que atua gerando um sinal

de controle para interromper o funcionamento do atuador linear quando este alcança sua

extensão máxima ou mínima. O contato está normalmente aberto, fechando somente

quando submetido ao campo magnético gerado pela proximidade da excursão do atuador.

Este sensor possui as seguintes características:

Tensão de operação: DC/AC 5 ~ 100 V

Corrente máxima: 30 mA

Proteção de encapsulamento: IP67 (resistente a imersão temporária).

26

A escolha de como será a saída do switch (nível lógico alto ou baixo) depende

apenas de como será feita a ligação elétrica. Caso seja aplicada uma tensão

correspondente ao nível lógico alto em uma das extremidades do switch, a mesma tensão

será lida após o fechamento do contato. De maneira análoga obtêm-se o nível lógico

baixo. A figura 2.16 exemplifica a ligação elétrica no modo de nível lógico baixo, quando

utilizado uma tensão de 3,3Vdc.

ReedSwitch

Rmin

3V3

GPIO

1K

Figura 2.16 – Reed switch respondendo em nível lógico baixo Fonte: Elaborado pelo autor

Das especificações do Reed Switch, destaca-se uma corrente máxima de 30 mA.

Caso seja alimentado com uma tensão de 3,3Vdc (como exemplificado na figura 2.8), é

necessária a presença de um resistor para limitar a corrente. A equação para identificar o

resistor mínimo é:

Tensão de alimentação

Rmin

= corrente máxima (4)

Aplicando-se à equação (4) uma tensão de 3,3Vdc obtêm-se o seguinte valor para

o resistor mínimo:

3,3

𝑅𝑚𝑖𝑛< 30 𝑚𝐴

𝑅𝑚𝑖𝑛 >3,3

30 𝑚

27

𝑅𝑚𝑖𝑛 > 110 𝛺

2.1.5 – Driver do atuador

O braço do atuador linear se expande quando aplicado sobre ele uma tensão de

24Vdc e se retraí quando essa tensão é invertida. Dessa forma, é necessário um dispositivo

(driver) que conecte o núcleo de processamento do glider com o atuador e que faça esse

chaveamento entre as tensões, seguindo uma lógica programável de controle. Depois de

realizado um levantamento das opções de mercado, escolheu-se o modelo de 2 relés da

figura 2.17 pela funcionalidade e baixo custo.

Figura 2.17 – Módulo com 2 relés Fonte: http://myhowtosandprojects.blogspot.com.br/2014/02/sainsmart-2-channel-5v-relay-

arduino.html

Este modelo possui a seguinte pinagem das entradas:

GND : Terra

IN1 : Chaveia o Relé K1

IN2 : Chaveia o Relé K2

VCC : Alimentação de 5V

Pinagem das saídas (tanto para o relé K1, quanto para o K2):

NC: Pino em que o relé está normalmente fechado (default).

COM: Pino comum.

NO: Pino em que o relé está normalmente aberto.

28

Esquema elétrico (Figura 2.18) de um dos relés da placa:

Figura 2.18 – Esquema elétrico de um dos relés da placa Fonte: http://arduino-info.wikispaces.com/ArduinoPower

Objetiva-se que o atuador expanda e retraia quando seus respectivos relés forem

acionados e que permaneça desligado em outros casos. Para tal, tem-se a seguinte

pinagem de saída para cada um dos relés:

NC: GND

NO: 24 Vdc

A tabela 2.3, abaixo, apresenta o funcionamento lógico do módulo de acordo com

sua tabela verdade:

Tabela 2.3 – Tabela verdade do controle do módulo de 2 relés.

Fonte: Elaborado pelo autor

IN1 IN2 SAÍDA

OFF OFF Permanece desligado

ON OFF Atuador retrai

OFF ON Atuador expande

ON ON Não se aplica

29

2.2 – Sistema de controle de roll

2.2.1 – Princípio

Seu funcionamento, esquematizado na figura 2.19, se baseia na emissão de sinais

de controle pelo núcleo de processamento para o hardware através de um driver. Este

sinal de controle é uma sequência de pulsos correspondentes a um ângulo de roll de

referência, cabendo ao sistema atuar de maneira a alcançar este ângulo desejado. Para tal,

o hardware em questão deve ser um motor que rotaciona um determinado peso ao redor

do eixo longitudinal. O feedback do ângulo de roll, isto é, saber qual é o ângulo atual do

veículo, é dado por um sensor inercial detalhado na seção 3.13 deste trabalho.

Com o objetivo de se otimizar o espaço interno do veículo, o peso a ser movido

pelo sistema de roll é um conjunto de baterias Gel Seladas Moura VRLA 12V 9Ah, onde

cada bateria pesa 2,38 kg e possuem as dimensões físicas mostradas na figura 2.20.

Unidade de Controle

Motor de Passos

Driver

Baterias (24V)

Leitura do Sensor Inercial

Move

Figura 2.19 – Diagrama de funcionamento do sistema de roll. Fonte: Elaborado pelo autor.

30

Figura 2.20 – Dimensões físicas da bateria Moura VRLA 12V 9Ah. Fonte: http://www.moura.com.br/pt/produtos/vrla-especificacoes

Para o cálculo do torque gerado pelas baterias, é necessário conhecer a distância

do eixo do motor até o centro de massa das mesmas. Tal distância encontra-se detalhada

na figura 2.21, que representa um corte transversal no corpo do glider.

Figura 2.21 – Corte transversal do glider. Fonte: Elaborado pelo autor.

A distância d do centro do motor de roll até o centro de massa das baterias vale:

𝑑 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎𝑠 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠

2+ 8 𝑚𝑚

𝑑 = 93,5

2+ 8 = 54,75 𝑚𝑚

31

Para o cálculo do torque, tem-se:

𝜏 = . ℎ𝑟𝑜𝑙𝑙 (5)

Após substituir a força F da equação (5) pelo peso das duas baterias, obtem-se:

𝜏 = 𝑏𝑎𝑡. 𝑔. ℎ𝑟𝑜𝑙𝑙 = 2. (2,38)(9,8). 0,055 ≅ 2,6 𝑁𝑚

Com uma margem de 25%, o torque total necessário para o motor de roll é:

𝜏𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2,6. (125%) ≅ 3,25 𝑁𝑚 = 33 𝑘𝑔𝑓. 𝑐𝑚

Por facilidade e familiaridade de uso no LIOc, utilizou-se um motor de passos,

que atendesse as especificações mínimas, como o motor do sistema de roll.

2.2.2 – Motor de passo

É um dispositivo eletromecânico de posicionamento síncrono projetado para girar

apenas um ângulo específico para cada pulso elétrico recebido na unidade de controle

(Ferreira, 2008 [18]). A figura 2.22 demonstra que o motor efetua seu deslocamento

angular nominal para cada pulso recebido.

Figura 2.22 – Esquema de pulsos de um motor de passos. Fonte: Elaborado pelo autor.

Os motores de passo são divididos em três tipos: relutância variável, magneto

permanente e híbridos. Pesquisou-se os modelos híbridos devido a sua abundante

presença na indústria, sendo mais fáceis e baratos de serem encontrados (Cravo, 2008

[19]). Sua construção é dada por um rotor, um estator, tampa de montagem, flange e

rolamentos, tal qual demonstrado na figura 2.23.

32

Figura 2.23 – Interior de um motor de passos Fonte: http://neoativa.com/blog/?p=208

O rotor é construído de duas secções, cada secção possui 50 dentes. O Estator, que

é a carcaça, possui 8 pólos, cada um com 5 dentes, perfazendo um total de 40 dentes. As

bobinas são enroladas sobre os dentes do estator e estão conectadas aos pares. Desse

modo, quando a corrente atravessa um par de espiras, ela atrai os dentes de polaridade

opostas em cada extremidade do rotor, energizando alternadamente uma e depois duas

espiras (Cravo, 2008 [19]).

Com um motor de passos, normalmente, não é necessário um sistema de sensor

de posição e realimentação para fazer com que o atuador de saída siga as instruções de

entrada. Assim, a atuação feita em malha aberta, onde a rotação e a velocidade têm uma

relação direta com o número e frequência do trem de pulsos. Uma vantagem em se utilizar

esse tipo de motor é a sua capacidade de parar em uma posição definida sem a ajuda de

embreagens e freios (Ferreira, 2008 [18]).

Escolheu-se o motor de passo KTC-KML092-F07 (Figura 2.24), da empresa

KALATEC, devido a sua disponibilidade no LIOc e por atender as especificações

mínimas.

33

Figura 2.24 – Dimensões físicas do motor de roll da Kalatec. Fonte: http://www.kalatec.com.br/motor_de_passo/M-PASSO-KML_092.pdf

O motor possui as seguintes características:

Torque estático mínimo: 6 Nm

Resolução: 200 PPR (pulsos por revolução)

Step: 1,8°

Resistência: 1,32 Ω

Consumo de corrente: 3,15 A/fase

Inércia do rotor: 2700 g.cm²

Peso: 2,9 kg

Esse modelo é um motor híbrido com oito fios e duas fases, já configurado para

uma ligação universal. Existem duas opções viáveis para sua ligação: a bipolar em série

e a em paralelo. A primeira alcança um valor maior de torque ao preço de uma velocidade

de rotação reduzida e possui consumo de corrente cerca de 30% menor do que a nominal.

Já a segunda alcança velocidades mais elevadas, com menos torque e um consumo de

corrente cerca de 30% maior do que a nominal (Kalatec, 2011 [20]).

Para o projeto, a autonomia é um fator crítico e não a velocidade de atuação dos

sistemas que compõem o glider. Sendo assim, a ligação bipolar em série é a mais

adequada a ser utilizada.

A figura 2.25, a seguir, demonstra como efetuar cada uma das ligações e relembra

suas características de torque e velocidade.

34

Figura 2.25 – Padrão de ligação elétrica do motor de roll da Kalatec. Fonte:

http://www.kalatec.com.br/motor_de_passo/Manual_Ligacao_Motores_Passo_Marca_Kalatec.pdf

2.2.3 – Sistema de segurança

A fim de evitar que o motor de roll gire as baterias para uma posição na qual elas

colidam com a estrutura acima dele (trilho, roldanas ou sistema de empuxo), é necessário

usar um sensor de fim de curso para gerar uma resposta de controle quando alcançado um

determinado ângulo crítico. Além desse sensor, a presença de um relé temporizador

oferece uma proteção contra falhas de software, tornando-se um sistema de segurança

independente. A seguir, detalham-se o sensor de fim de curso e o relé temporizador para

o sistema de roll.

2.2.3.1 – Sensores de fim de curso

Fixados no casco do glider, identificando os ângulos máximos de operação, os

sensores NS3-060D da Metaltex (Figura 2.26) possuem uma haste com rolete que fecha

o contato quando as baterias atingirem essa posição. Essas hastes agem de forma a gerar

o mínimo de interferência possível no movimento do sistema de roll, objetivando não

sobrecarregar desnecessariamente o motor.

35

Figura 2.26 – Sensor de fim de curso NS3-060D da Metaltex. Fonte: http://www.lojaeletrica.com.br/images/product/2321106190043_Z.jpg

O sensor de fim de curso possui as seguintes características:

Contatos para 3 ou 10 A

Mecanismo interno de longa vida útil: 2 milhões de operações

Temperatura de operação: -25ºC a 80ºC

2.2.3.2 – Circuito de proteção

É composto de um relé temporizador e um par de sensores NS3-060D (Figura

2.26). Cada um dos sensores será posicionado além das chaves de fim de curso, de

maneira que elas só serão acionadas caso o sistema de controle falhe em parar o motor

nos seus ângulos máximos de operação.

Para interromper a alimentação do sistema, escolheu-se o modelo de relé

temporizador OPT da Metaltex (Figura 2.27) que, quando submetido a uma tensão de

controle, fecha o seu contato após um tempo pré-determinado e só o abre quando a tensão

for interrompida.

36

Figura 2.27 – Relé temporizador OPT da Metaltex. Fonte: http://www.metaltex.com.br/produto/opt/opt-rele-de-tempo

Este relé possui as seguintes características:

Arranjo dos contatos: 1 ou 2 temporizado(s) para 1A indutivo a 250 VCA

Alimentação: DC/AC 12 ~ 24 V

Tempo máximo: 1,2,5,10,15 ou 30 segundos/minutos

Quando acionadas quaisquer das chaves de segurança, uma tensão de controle irá

acionar o relé temporizador, como pode ser observado na ligação elétrica do sistema

esquematizada na figura 2.28, abaixo.

M

Relé Temporizador

5V

24 VChaves de segurança

Motor de passos

Figura 2.28 – Esquema elétrico do sistema de segurança dos motores de passo. Fonte: Elaborado pelo autor.

37

2.2.4 – Driver do motor

O interfaceamento entre o microcontrolador e o motor de passos é dado por um

driver. Na figura 2.29 tem-se o modelo Tb6560 que não possui inteligência embarcada,

sendo, portanto, de baixo custo. Ele recebe um trem de pulsos, a direção (horária ou anti-

horária) e um sinal enable de controle.

Figura 2.29 – Driver Tb6560. Fonte: http://img.alibaba.com/img/pb/311/994/827/827994311_116.jpg

A figura 2.30, a seguir, apresenta-se o diagrama de ligações do driver do motor:

Figura 2.30 – Ligação elétrica do driver Tb6560. Fonte: http://img.alibaba.com/img/pb/310/994/827/827994310_964.jpg

38

Devido à sua limitação de corrente, há a necessidade de se inserir um resistor em

série com cada entrada de controle. Os casos possíveis de tensão e o valor dos resistores

recomendados encontram-se listados a seguir.

5V : Nenhum resistor é necessário

12V : Adicionar um resistor de 1K para os sinais de controle Pul-, Dir- e EN-

24V : Adicionar um resistor de 2,7K para os sinais de controle Pul-, Dir- e EN-

Considerações acerca do sinal de Enable (EN-):

EN- em nível lógico alto: motor funciona

EN- em nível lógico baixo: motor não funciona

Os modos de operação e ajuste são dados pela posição dos switches da placa.

Abaixo é mostrada a configuração de cada switch:

SW1, SW2 e SW3 controlam a corrente de saída de acordo com a tabela verdade

mostrada na tabela 2.4:

Tabela 2.4 – Configuração dos switches SW1, SW2 e SW3.

Fonte: Datasheet do chip Toshiba Tb6560 [21].

Corrente de saída

I (A) 0,5 1,0 1,5 1,8 2,0 2,5 3,0

SW1 0 0 0 1 1 1 1

SW2 1 0 1 0 1 0 1

SW3 0 1 1 0 0 1 1

S1 e S2 controlam a configuração do torque: quanto maior ele for, maior será o

consumo de corrente e a dissipação de calor do motor. Na tabela 2.5, abaixo, temos a

tabela verdade das chaves S1 e S2.

Tabela 2.5 – Configuração dos switches S1 e S2.

Fonte: Datasheet do chip Toshiba Tb6560 [21].

Configuração do torque

SW4 20% 50% 75% 100%

S1 0 0 1 1

S2 0 1 0 1

39

S3 e S4 controlam o modo de excitação (microstepping), isto é, são necessários

mais pulsos para que o motor varie sua resolução de 1,8º (nota-se uma transição mais

suave entre os steps do motor). A tabela verdade das chaves S3 e S4 é mostrada na tabela

2.6 abaixo.

Tabela 2.6 – Configuração dos switches S3 e S4.

Fonte: Datasheet do chip Toshiba Tb6560 [21].

Modo de excitação (microstepping)

SW4 1 2 8 16

S3 1 1 0 0

S4 1 0 0 1

S5 e S6 configuram o modo de decaimento. Com aproximadamente quatro ciclos

do oscilador interno do Tb6560, acontece a descarga de corrente do pulso PWM do

mesmo. Com 25%, a descarga de corrente acontece durante o último ciclo; com 50%

acontece nos dois últimos ciclos; e com 100% esse processo acontece durante todos os

quatro ciclos. A tabela 2.7 abaixo mostra a configuração das chaves S5 e S6 para os

diferentes tipos de decaimento.

Tabela 2.7 – Configuração dos swithces S5 e S6.

Fonte: Datasheet do chip Toshiba Tb6560 [21].

Modo de decaimento

SW4 0% (normal) 25% 50% 100%

S5 1 1 0 0

S6 1 0 1 0

Na figura 2.31, demonstra o comportamento do driver aos ciclos do oscilador

interno (OSC Pin Internal Waveform, na figura) aos diferentes modos de decaimento. O

termo “NF” se refere ao ponto em que a corrente alcança o valor predefinido de corrente

dos switches SW1, SW2 e SW3 (Tabela 2.4) e o termo “RNF” se refere ao valor da

corrente ao final dos ciclos do oscilador. Quanto menor for o valor do “MDT” (do inglês,

mixed decay timing), menor sera a amplitude da corrente de ripple, entretanto, a taxa de

decaimento da corrente aumenta.

40

Figura 2.31 – Formas de onda do modo decaimento do driver Tb6560. Fonte: Datasheet do chip Toshiba Tb6560 [21].

41

2.3 – Sistema de controle de pitch

2.3.1 – Princípio

O sistema de pitch (destacado em verde na figura 2.4 e repetido abaixo) é

composto de um conjunto de polias e correias sincronizadoras, ligadas em um motor de

passos. O motor gira a polia e desloca um carrinho (onde se encontra todo o hardware do

sistema de roll, destacado em vermelho na figura 2.4) sobre uma guia linear de

comprimento igual a 600 mm. Na figura 2.32 tem-se o diagrama de funcionamento do

sistema de pitch.

Unidade de Controle

Motor de Passos

Driver Move

Leitura do Sensor Inercial

Sistema de Roll

Figura 2.32 – Diagrama de funcionamento do sistema de pitch. Fonte: Elaborado pelo autor.

Para dimensionar o motor de passos é necessário calcular o torque estático

mínimo. O pior caso de inclinação é quando o eixo longitudinal do glider faz um ângulo

de 90, o que torna a tensão em cima da correia igual ao peso do sistema de roll.

Para se calcular o peso a ser deslocado é necessário listar o peso de todos os

componentes envolvidos:

Duas baterias: 4,8 kg no total

Motor de Passos: 2,9 kg

Carrinho: 105g

Peso total (𝑃𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ ) = 7,805 𝑘𝑔

O cálculo do torque mínimo do motor de pitch é dado por:

τpitch= Ppitch . rpolia (6)

42

Substituindo o peso total na equação (6), obtem-se:

τpitch = (7,805)(9,8)(0,008) ≅ 0,6 Nm

Com a folga de 25%, tem-se um torque mínimo para o motor de pitch de:

𝜏𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ = (0,6)(125%) = 0,75 𝑁𝑚 ≅ 7,6 𝑘𝑔𝑓. 𝑐𝑚

2.3.2 – Escolha do motor de passo

Com os mesmos critérios de escolha do motor de roll, escolheu-se o motor KTC-

HT23-400 da empresa Kalatec (Figura 2.33) pela disponibilidade no laboratório e por

atender as especificações.

Figura 2.33 – Dimensões físicas do motor de pitch da Kalatec [17]. Fonte: http://www.kalatec.com.br/motor_de_passo/Motor_Passo_Nema_HT23.pdf

Este motor possui as seguintes características:

Torque estático mínimo: 1,32 Nm

Resolução: 200 PPR (pulsos por revolução)

Step: 1,8°

Resistência: 2,3 Ω

Consumo de corrente: 2,0 A/fase

Inércia do rotor: 480 g.cm²

Peso: 1,0 kg

43

Esse modelo é um motor híbrido com oito fios e duas fases, já configurado para

uma ligação universal tal qual o motor de roll. Por consumir menos corrente, escolheu-se

a configuração bipolar em série como o padrão de ligação.

O número de revoluções necessárias ao motor de pitch para que o carrinho seja

movido pelos 600 mm especificados é calculado em função do raio da polia. Sabe-se que

uma revolução do motor desloca a correia em 2πrpolia milímetros.

1 revolução = 2πrpolia (7)

Como o raio da polia vale aproximadamente 8 mm, da expressão (7) obtem-se:

1 revolução = 2π(8) ≅ 50 mm

O cálculo do número de revoluções em função do deslocamento total e da

distância percorrida com uma revolução é dado por:

Número de revoluções =

deslocamento total

distância percorrida com uma revolução

(8)

Substituindo-se o deslocamento total e a distância percorrida com uma revolução

em (8), obtêm-se:

Número de revoluções =600

50= 12 revoluções

2.3.3 – Sistema de segurança

Para evitar que o motor de pitch mova o carrinho para uma distância além dos

600 mm especificados, posiciona-se um sensor tanto no início quanto no fim do curso,

que gerarão um retorno quando acionados (com o objetivo de cessar a atuação do motor).

Além desse sensor, outros dois sensores serão posicionados depois do fim do curso, de

maneira a interromper a energia do sistema através de um relé temporizador. Este relé

será um OPT da Metaltex (Figura 2.21) com atuação, especificações e ligação elétrica

com os sensores iguais às listadas no sistema de roll.

44

2.3.3.1 – Sensores de fim de curso

Fixados nos extremos do trilho, são responsáveis por gerar um sinal de controle e

criar uma intervenção via software que interrompa o funcionamento do motor de pitch,

quando o carrinho atingir qualquer um deles. Essa ação evita a queima do motor e

possíveis danos ao sistema de pitch do veículo.

Abaixo, identifica-se o sensor de fim de curso TZ3112 da Metaltex (Figura 2.34).

Figura 2.34 – Chave de fim de curso miniatura TZ3112 da Metaltex. Fonte: http://www.metaltex.com.br/downloads/TZ3.pdf

As especificações do sensor são:

Força máxima de operação: 1800 g

Capacidade de 3A-250Vdc

Grau de proteção IP 67

Já incluso um cabo de 3 metros (dispensa conexões extras)

45

2.3.4 – Driver do motor

Por se tratar de um motor de passo essencialmente igual ao escolhido no sistema

de roll, pode-se também utilizar o driver Tb6560 (Figura 2.29) para controlá-lo. São

utilizadas no motor de pitch as mesmas configurações de switches adotadas anteriormente

para o motor de roll com apenas uma alteração na corrente de saída do driver, visto que

o consumo do motor é menor.

2.4 – Sensor Inercial

É uma IMU (do inglês, Internal Measurement unit) assistido por GPS/INS (do

inglês, global positioning system e Inertial navegation System, respectivamente), que

corrige os erros acumulados durante a operação. A IMU MTi-G-700 (Figura 2.35) faz

parte da série MTi 100 de elevado desempenho, integrando giroscópios imunes a

vibrações e uma elevada estabilidade de polarização em funcionamento. Ele é responsável

por fornecer a atitude do glider para que os sistemas de controle possam atuar a fim de

rastrear os valores de pitch e de roll pré-definidos na tabela de navegação.

Figura 2.35 – Sensor Inercial MTi-g-700 da XSens. Fonte: https://www.xsens.com/products/mti-g-700/

46

Possui as seguintes características:

Tensão de alimentação: 4,5~34Vdc ou 3,3Vdc

Consumo típico de energia: 675~950 mW

Proteção: IP 67

Temperatura de operação: -40 a 85ºC

2.5 – Comunicação

Para o envio e recebimento de informações, especificou-se nos requisitos do

projeto a utilização de conexão 3G (a ser utilizado em áreas costeiras) e o Wifi (conexão

ad-hoc para curtas distâncias). Abaixo seguem os modens usados para cada caso.

2.5.1 – Modem 3G

Escolheu-se o mini modem USB Huawei E173 (Figura 2.36) pela abundância no

mercado e preço acessível. Outra característica importante é a presença de uma conexão

de antena externa, que sairá do casco, para prover uma melhor recepção de sinal.

Figura 2.36 – Mini modem USB Huawei E173. Fonte: http://images.tcdn.com.br/img/img_prod/407926/333599_1_20130207160345.png

47

Suas características são:

Modem 3G Desbloqueado GSM Quadri-Band

GPRS EDGE 850/900/1800/1900MHz

WCDMA Tri-Band WCDMA HSDPA 3.6 (850/1900/2100 MHz);

Suporta cartão de memória MicroSD de até 4GB (opcional)

2.5.2 – Modem Wi-fi

Utilizou-se o adaptador USB 2.0 wifi da EDUP (Figura 2.37) pela disponibilidade

no laboratório e pela possibilidade de se conectar uma antena externa, capaz de melhorar

a qualidade e alcance do sinal para a conexão local a curtas distâncias.

Figura 2.37 – Mini modem USB 2.0 Wifi da EDUP. Fonte: http://mlb-s1-p.mlstatic.com/adaptador-wifi-usb-edup-300mbps-ep-n8512-com-antena-

14160-MLB4424673710_062013-F.jpg

Algumas de suas características são:

Padrão wireless: IEEE 802.11n/b/g

Segurança dos dados: 64/128bit WEP/WPA/WPA2

Taxas de sinal sem fio com fallback automático: 11n até 300Mbps

48

2.6 – Digrama Elétrico

A figura 2.38, a seguir, ilustra as ligações físicas entre os hardwares que compõem

os sistemas de comunicação, empuxo, pitch e roll. Nela é possível perceber que a unidade

de controle do veículo é uma Raspberry Pi modelo B+, que será explicada no item 3.1.2

deste trabalho.

49

Figura 2.38 – Diagrama elétrico do glider. Fonte: Elaborado pelo autor.

50

Capítulo 3

Sistema de Controle

Para implementar o núcleo de processamento do glider, desenvolveu-se no LIOc

uma ferramenta própria de desenvolvimento para sistemas embarcados, que interliga

todos os sistemas do veículo a uma malha de controle responsável por garantir o

funcionamento tal qual idealizado, chamado de SisCAT.

Para realizar a navegação, o SisCAT lê um arquivo fornecido pelo usuário

chamado de tabela de navegação. Nesta tabela está contida toda a rotina de mergulho a

ser seguida. Em seguida, o SisCAT utiliza os dados adquiridos dos sensores embarcados

para comparar com os setpoint contidos em cada linha da tabela afim de controlar os

sistemas de empuxo, pitch e roll. Ao final da rotina, o sistema é capaz de reiniciar o

mergulho utilizando a tabela que já se encontra na memória, ou receber (via comunicação

3G) uma nova tabela com novos parâmetros de setpoint (Figura 3.1).

51

Sistema de Roll

Sistema de Pitch

Leitura do Sensor Inercial

Sistema de Empuxo

Sistema de Comunicação

SisCAT

Wi-fi 3GGPS

Tabela de Navegação

Malha de controle de

empuxo

Malha de controle de

Roll

Malha de controle de

Pitch

Motor de Passos

Driver Move

Leitura do Sensor de Pressão

Sistema de Roll

Motor de Passos

Driver

Motor de Passos

Driver Move

Leitura do Sensor Inercial

Sistema de Roll

Move

Baterias (24V)

Setpoint de Empuxo

Setpoint de Roll

Setpoint de Pitch

Figura 3.1 – Diagrama de funcionamento do SisCAT. Fonte: Elaborado pelo autor.

52

3.1 – Sistema de Controle, Atuação e Telemetria (SisCAT)

Foi originalmente concebido para ser o software da unidade controladora de uma

boia meteo-oceanográfica (BMO) utilizada para aquisição, processamento e transmissão

de dados ambientais (Mello, 2013 [22]), mas no atual estágio de desenvolvimento, possui

um funcionamento mais genérico. Esse sistema deverá se tornar a principal plataforma

embarcada de processamento para os futuros desenvolvimentos do Laboratório de

Instrumentação Oceanográfica, necessitando ser o mais versátil possível para possibilitar

sua utilização com apenas pequenas modificações.

O SisCAT funciona através de uma máquina de estados, onde cada estado é

composto de um conjunto de tarefas, denominado “Ciclo de Tarefas”. Cada Tarefa é um

conjunto de ações (denominados “Operações”) com parâmetros específicos a serem

executadas por um Driver ou Componente, em um ou mais clocks do sistema

(denominados “Ticks”).

Por exemplo, em um Tick, o SisCAT é capaz de realizar a leitura do sensor de

pressão, convertê-la para metros, compará-la com uma linha da tabela de navegação e

tomar a decisão de atuar nos sistemas de empuxo, pitch e roll caso a profundidade descrita

na tabela seja alcançada.

Abaixo detalha-se cada uma das definições do sistema citadas:

Ciclo de Tarefas – É a unidade de tempo onde deve estar contida a possibilidade

de execução de todas as Tarefas. Nele, a execução de cada Tarefa é de forma cronológica,

por prioridade, podendo ser facultativa ou ter execuções múltiplas.

Tarefas – Um conjunto de Operações com parâmetros específicos a serem

executadas por um Driver ou Componente, em um ou vários Ticks, dentro do Ciclo de

Tarefas. Possuem um critério de prioridade para o caso de execução simultânea além de

terem a sua execução habilitada ou não durante o Ciclo de Tarefas.

Operação – Especifica uma ou mais ações a serem executadas por um

Componente ou Driver. Por exemplo, uma atividade que solicita a leitura do sensor de

pressão, que é um componente do sistema, deve informar este desejo ao respectivo Driver

que enviará um comando para o Componente.

53

Componente – É um módulo especializado, que realiza um conjunto de

Operações, podendo ser externo ao SisCAT (como um transdutor) ou interno, realizando

operações matemáticas, de sistema, de armazenamento, etc.

Driver – Módulo especializado, interno ao SisCAT, criado para cada

Componente. Subdivide-se em Driver Físico, para o caso de equipamentos/sensores e

Driver Lógico para o caso de processamento.

Tick – O mesmo clock do sistema.

Comando – Instrução individual específica de cada instrumento ou Componente.

3.1.1 – Arquitetura de sistema do SisCAT

De forma abstrata, o sistema do SisCAT deve ser compreendido por três camadas:

1) Núcleo do Sistema, responsável por realizar o controle e gerenciamento das demais

partes, o que inclui acesso ao banco de dados, controle e lançamento de Tarefas, controle

do fluxo e das estruturas de dados, temporização e etc; 2) Camada I/O, que abrange o

gerenciamento das Interfaces de comunicação (Serial RS-232 ou 485, USB,

Lógico/Virtual, etc...), assim como os Drivers especializados, responsáveis pela troca de

informação entre o SisCAT e um determinado equipamento ou processamento; e 3)

Camada de Dados, que compreende todo o armazenamento não volátil de dados do

SisCAT, incluindo os arquivos de configuração do sistema, do usuário, de dados brutos

oriundos das aquisições e o banco de dados. Esse último pode ser um banco de dados

relacional enxuto e proprietário, para aplicações com poucos recursos computacionais,

que implemente toda a lógica transacional de um banco de dados comum e permita

operações de leitura e escrita em um único arquivo. O modelo de dados utilizado deve

manter a relação entre tarefas, operações e interfaces definidas no sistema.

Abaixo (Figura 3.2) tem-se a arquitetura do sistema descrita através de um

fluxograma:

54

Figura 3.2 – Arquitetura de sistema do SisCAT. Fonte: Elaborado pelo autor.

3.1.2 – Raspberry B+

Escolheu-se o Raspberry B+ (Figura 3.3) como unidade de processamento central,

responsável por implementar as rotinas de missão, leitura dos sensores, armazenamento

de dados, malha de controle dos motores, envio e recebimento de dados. Sua a escolha

foi baseada na disponibilidade, facilidade de programação e capacidade para implementar

o SisCAT, criado no laboratório (Mello, 2013 [21]).

55

Figura 3.3 – Modelo Raspberry B+. Fonte: http://www.raspberrypi.org/products/model-b-plus/

Onde pode-se destacar algumas características:

40 pinos GPIO

4 portas USB 2.0

Entrada para cartão micro SD

Consumo de 3W

3.2 – Malha de controle

Com o objetivo de integrar e controlar todos os sistemas operacionais do glider,

desenvolveu-se uma máquina de estados que contém as malhas de controle de empuxo,

pitch e roll.

3.2.1 – Máquina de estados

Uma missão no glider é composta de vários estados, como exemplificado na

figura 3.4 e contemplado em detalhes do apêndice A:

56

CalibPitch

Navegação

Superfície

Emergência

Inicial

Pré-

Navegação

CalibEmpuxo

CalibRoll

Figura 3.4 – Estados de missão do glider. Fonte: Elaborado pelo autor.

Inicialização – Inicia o SisCAT com as configurações obtidas de um cartão de

memória micro SD.

Calibração – Subdividida em três estados, é a responsável por calibrar o empuxo

e os ângulos de pitch & roll para o estado inicial pré-configurado em terra, com o objetivo

de fornecer um referencial para cada um dos sistemas de controle.

Pré-Navegação – Este estado existe para que o usuário inicie manualmente o

mergulho, de forma que o veículo não inicie a navegação enquanto ainda está a bordo da

embarcação e, consequentemente, não tenha sido lançado ao mar.

Navegação – Executa a rotina de missão de descida e subida contida na tabela de

navegação.

57

Superfície – Envia um e-mail com os dados adquiridos durante a missão, bem

como sua posição atual. Aguarda uma conexão externa com nova tabela de navegação e

atualiza a mesma contida no cartão de memória micro SD.

Emergência – Quando há algum entrave, seja por hardware ou software, o estado

objetiva levar o veículo à superfície e transmitir sua posição periodicamente para que ele

seja localizado e removido da água a fim de se averiguar e corrigir o motivo da falha.

Para que seja possível executar a rotina de navegação, é necessária uma malha de

controle para cada um dos três sistemas descritos na tabela de navegação, ou seja,

empuxo, pitch e roll. Cada uma dessas malhas está detalhada a seguir.

3.2.2 – Controle de Empuxo

Devido à simplicidade do sistema de empuxo (o pistão totalmente retraído ou

estendido) e a ausência de distúrbios internos ou externos, utilizou-se um controle de

malha aberta para controlar a flutuabilidade do glider.

Os chamados sistemas de controle de malha aberta são aqueles em que o sinal de

saída não exerce nenhuma ação de controle no sistema. Isso quer dizer que, em um

sistema de controle de malha aberta, o sinal de saída não é medido nem realimentado para

comparação com a entrada. Assim, a cada entrada de referência corresponde uma

condição fixa de operação (Ogata, 2010 [23]).

3.2.3 – Controle de Pitch e Roll

Os sistemas de controle de pitch e roll são equivalentes por usarem o mesmo tipo

de motor de passos e, portanto, podem ser analisados juntos. Diferentemente do sistema

de empuxo, é necessário um constante controle do sinal de erro atuante, que é a diferença

entre o sinal de entrada (valores contidos na tabela de navegação) e o sinal de alimentação,

de modo a minimizar o erro e acertar a saída do sistema ao valor desejado da tabela de

navegação. Para tal, utilizou-se um sistema de controle de malha fechada ou sistema de

controle com realimentação (Ogata, 2010 [23]).

58

Como o modelo matemático da planta não é conhecido e, portanto, os métodos de

projeto analítico de sistemas de controle não podem ser utilizados, aplicou-se controles

PID para controlar a malha de realimentação.

3.2.3.1 – Controle PI, PD e PID

De acordo com Ogata, 2010 [22], o controlador PI é caracterizado pela função de

transferência:

𝐺𝑐(𝑠) = 𝐾𝑝 (1 +1

𝑇𝑖𝑠)

O controlador PI é um compensador de atraso. Ele possui um zero em s = - 1/Ti e

um polo em s = 0. Logo, a característica do controlador PI é possuir ganho infinito na

frequência nula. Isso melhora as características de regime permanente. Entretanto, a

inclusão da ação de controle PI no sistema aumenta em 1 o número que define o tipo de

sistema compensado. Isso resulta em um sistema compensado menos estável ou, até

mesmo, faz o sistema se tornar instável. Portanto, os valores de Kp e Ti devem ser

escolhidos cuidadosamente para garantir uma resposta temporal apropriada. Projetando

de maneira adequada o controlador PI, é possível fazer a resposta temporal à entrada em

degrau exibir um sobressinal relativamente pequeno ou nenhum. A velocidade de

resposta, contudo, fica muito lenta. Isso ocorre porque o controlador PI, sendo um filtro

passa-baixa, atenua os componentes de alta frequência do sinal.

O controlador PD é uma versão simplificada do compensador de avanço, que

possui a função de transferência Gc(s), em que

𝐺𝑐(𝑠) = 𝐾𝑝(1 + 𝑇𝑑𝑠)

O valor de Kp é normalmente determinado a fim de satisfazer os requisitos de

regime estacionário. A frequência de canto 1/Td é escolhida de modo que o avanço de

fase ocorra na vizinhança do ganho de frequência de cruzamento. Embora a margem de

fase possa ser aumentada, o ganho do compensador continua a aumentar na região de

frequência 1/Td < w. (Então, o controlador PD é um filtro passa-alta.) Esse aumento

contínuo de ganho é indesejável, uma vez que ele amplifica os ruídos de alta frequência

que podem estar presentes no sistema. A compensação em avanço pode proporcionar um

avanço de fase suficiente, enquanto o aumento do ganho na região de alta frequência é

59

muito menor que o do controlador PD. Portanto, prefere-se a compensação em avanço no

lugar do controle PD.

O controlador PD, assim como no caso do compensador de avanço, melhora as

características de resposta temporal e a estabilidade do sistema e aumenta a banda

passante desse sistema, o que implica um tempo de subida rápido.

O controlador PID é uma combinação dos controladores PI e PD. Ele é um

compensador do tipo atraso e avanço. Note que a ação de controle PI e a ação de controle

PD ocorrem em diferentes regiões de frequência. A ação de controle PI ocorre na região

de baixa frequência e a ação de controle PD ocorre na região de alta frequência. O controle

PID pode ser utilizado quando o sistema requer melhorias no desempenho transitório e

no desempenho em regime estacionário. Na figura 3.5 explicita-se os casos onde a

variável de interesse não é controlada, quando é aplicado um controlador tipo P, PI e PID.

Figura 3.5 – Diferenças entre o controlador tipo P, PI e PID. Fonte:https://www.isa.org/standards-and-publications/isa-publications/intech-

magazine/2009/june/automation-basics-pi-and-d-together-separately-control-the-process/

No glider, a velocidade de resposta não é um fator crítico, uma vez que os sistemas

operacionais são lentos e sua atuação ocorre em baixa frequência. Sendo assim, escolheu-

se um controlador PI para a malha de controle de pitch e de roll (Figura 3.6).

60

Kp

Kc/s

G(s)

Proporcional

Integrador

Planta

-

+

Ângulo depitch ou roll

u(t)

e(t)

Figura 3.6 – Malha de controle de pitch e de roll. Fonte: Elaborado pelo autor.

Para resolver a integral definida contida no bloco integrador de forma

computacional, utilizou-se a Regra Trapezoidal (Aktinson, 1989 [24]), dada pela seguinte

equação:

61

Capítulo 4

Montagem e testes

Com o projeto eletrônico e a programação concluídos, resta apenas a elaboração

das peças que irão conectar cada um dos componentes físicos do glider. Na figura 4.1

têm-se o desenho de cada uma dessas peças e da distribuição final de cada sistema.

Figura 4.1 – Desenho final dos sistemas de controle do glider. Fonte: Elaborado pelo autor.

Na figura 4.2 está apresentado o protótipo com as suas peças usinadas e montadas,

com exceção do tubo de lastro do sistema de empuxo que, por limitações de prazo, não

ficou pronto a tempo da conclusão deste trabalho.

Figura 4.2 – Foto do glider montado. Fonte: Elaborado pelo autor.

62

4.1 – Teste do sistema de roll

Neste teste, o sistema de roll utilizou o driver Tb6560 e foi controlado através do

SisCAT para girar no sentido horário (Figura 4.3) e anti-horário (Figura 4.4), ambos

realizados com o mesmo número de passos.

Figura 4.3 – Sistema de roll girado de 10 passos no sentido horário. Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 4.4 – Sistema de roll girado de 10 passos no sentido anti-horário. Fonte: Elaborado pelo autor.

63

4.2 – Teste de Pitch

O sistema de pitch foi testado utilizando o seu respectivo driver Tb6560 e

controlado através do SisCAT para posicionar o carrinho no seu limite mínimo (Figura

4.5) e máximo (Figura 4.6) do trilho.

Figura 4.5 – Sistema de pitch na sua excursão mínima. Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 4.6 – Sistema de pitch na sua excursão máxima. Fonte: Elaborado pelo autor.

4.3 – Teste de Empuxo

O sistema de empuxo foi testado utilizando o seu driver de dois relés e controlado

através do SisCAT para posicionar o braço do atuador na sua excursão mínima (Figura

4.7) e máxima (4.8).

64

Figura 4.7 – Sistema de empuxo na posição correspondente ao tanque de lastro

cheio. Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 4.8 – Sistema de empuxo na posição correspondente ao tanque de lastro

vazio.

Fonte: Elaborado pelo autor.

65

Capítulo 5

Resultados, conclusões e trabalhos

futuros

Este trabalho consolida o projeto e desenvolvimento dos sistemas de controle de

submersão (sistema de empuxo) e dirigibilidade (sistemas de pitch e roll) de um veículo

subaquático autônomo, abrangendo também os sistemas de comunicação e segurança

para que o mesmo seja capaz de realizar missões de maneira confiável.

Nesse sentido, foram realizados testes de bancada que validam as escolhas de cada

componente, bem como o design e usinagem das peças necessárias para fixá-los. Os

sistemas de pitch e roll foram testados sem suas chaves de fim de curso devido a atrasos

na fabricação de suas peças de fixação, dessa forma, variou-se manualmente o número de

passos dos seus respectivos motores para a definição dos limites de cada sistema. Além

disso, o movimento mais suave dos motores também foi testado através da característica

de micropassos do driver Tb6560, necessitando de até 16 pulsos para percorrer os mesmos

1,8º do motor em seu funcionamento padrão. Através dos testes, constatou-se que a

excursão máxima do sistema de pitch é de 800 passos, que corresponde a 20 centímetros.

Já o sistema de roll alcança seu ângulo máximo de operação com um número 28 de

passos, que corresponde a 50º. Ambos os motores apresentaram um movimento suave,

tal qual o esperado, durante os testes com os micropassos.

Embora os objetivos do projeto e construção em laboratório tenham sido

atingidos, a possibilidade de contar com resultados práticos em campo traria um

enriquecimento para as conclusões deste trabalho. Sendo assim, ainda há uma extensa

pesquisa para se medir as capacidades do veículo, através da emersão do mesmo em um

ambiente controlado como o do tanque de ondas do LabOceano da COPPE/UFRJ.

No decorrer do projeto foram enfrentadas diversas dificuldades a serem

superadas, como a burocracia da UFRJ em se contratar um serviço externo, diálogo com

o fornecedor, atrasos na entrega das peças usinadas, elaboração do desenho técnico com

uma equipe externa ao laboratório, dimensionamento dos cabos que interligam cada

componente, falta de espaço interno para aperto de porcas e parafusos, entre outros.

66

O maior problema do glider se resume a sua otimização, uma vez que os cálculos

de dimensionamento do motor tiveram uma margem de segurança muito elevada pelo

fato de não se conhecer previamente o peso das peças de encaixe e fixação dos sistemas,

o que resultou em motores excessivamente grandes, pesados e com maior consumo de

energia. Outro exemplo, foi o desconhecimento do range de ângulos de pitch que

poderiam ser alcançados com o atual tamanho do trilho, uma vez que essa informação

dependia de uma série de fatores, como a posição do centro e gravidade e a hidrodinâmica

do corpo. As mesmas conclusões se aplicariam ao sistema de roll.

Finalmente, o trabalho e a sua documentação serão utilizados no LIOc para o

aperfeiçoamento de futuros modelos de glider, onde questões como autonomia,

otimização de espaço interno, maior profundidade de operação, hidrodinâmica, controle

de direção (azimute) e confiabilidade poderão ser dimensionados com uma maior

precisão levando em consideração os dados gerados por este primeiro modelo.

67

Apêndice A

Máquina de Estados

Neste apêndice está contemplado o desenvolvimento detalhado da máquina de

estados usada pelo SisCAT no glider. Para melhor entendimento do mesmo, é necessário

listar algumas nomenclaturas:

Operação de driver físico (Figura A1)

Quando a operação do SisCAT interage diretamente com um hardware do glider,

como o driver dos motores de passo e sensor de pressão.

Operação de driver físico

Figura A.1 – Bloco de operação do driver físico da máquina de estados. Fonte: Elaborado pelo autor.

Operação com subitens (Figura A2)

Quando a operação é mais complexa do que aparenta e precisa ser dividida em

subitens.

Operação com subitens

Figura A.2 – Bloco de operação com subitens da máquina de estados. Fonte: Elaborado pelo autor.

68

Operação lógica (Figura A3)

Quando a operação é puramente lógica, como tratamento de dados, leitura da

tabela de navegação, a malha de controle

Operação lógica

Figura A.3 – Bloco de operação lógica da máquina de estados. Fonte: Elaborado pelo autor.

Tarefa (Figura A4)

Para se identificar uma tarefa na máquina de estados é necessário alguns campos

de identificação, da figura A4 pode-se destacar:

ID = Número identificador da tarefa no Estado, isto define a sua ordem de

execução.

Off = Número de ticks de offset, ou seja, define em quantos ticks a tarefa se inicia.

X = Número de ticks entre repetições dentro de um ciclo (intervalo)

Y = Número de vezes em que a tarefa é executada dentro de um ciclo, onde 0

significa que será executada até o fim do ciclo

ZZZ = 1º “Z” começa habilitada ou não (s/n)

2º “Z” se a tarefa se auto desabilita ou não (s/n)

3º “Z” a tarefa será obrigatoriamente executada em um tick ou não (s/n)

Nome da Tarefa = Define um nome para ser documentado na Tabela de Tarefas

do sistema

Nome da Tarefa

ID off x y zzz

Figura A.4 – Bloco que representa uma tarefa da máquina de estados. Fonte: Elaborado pelo autor.

69

Estado (Figura A5)

Engloba operações e tarefas no SisCAT, em seu cabeçalho está explicitado os

número de ticks em um ciclo e em quantos ciclos ela será executada (sendo que 0 significa

que não tem limite).

Estado com NNN ticks em

seu ciclo de execução e nnn

ciclos (nnn=0:sem limite)

NNN / nnn

Figura A.5 – Bloco que representa uma tarefa da máquina de estados. Fonte: Elaborado pelo autor.

70

Figura A.6 – Estado de Inicialização Fonte: Elaborado pelo autor.

71

Figura A.7 – Estado de calibração de empuxo. Fonte: Elaborado pelo autor.

72

Figura A.8 – Estado de calibração de pitch. Fonte: Elaborado pelo autor.

73

Figura A.9 – Estado de calibração de roll. Fonte: Elaborado pelo autor.

74

Figura A.10 – Estado de pré-navegação. Fonte: Elaborado pelo autor.

75

Figura A.11 – Estado de navegação (parte 1). Fonte: Elaborado pelo autor.

76

Figura A.12 – Estado de navegação (parte 2). Fonte: Elaborado pelo autor.

77

Figura A.13 – Estado de navegação (parte 3). Fonte: Elaborado pelo autor.

78

Figura A.14 – Estado de superfície. Fonte: Elaborado pelo autor.

79

Figura A.15 – Estado de emergência. Fonte: Elaborado pelo autor.

80

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