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projeto e desenvolvimento dos sistemas de controle de submersão

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  • PROJETO E DESENVOLVIMENTO DOS SISTEMAS DE

    CONTROLE DE SUBMERSO E DIRIGIBILIDADE DE

    UM VECULO SUBAQUTICO AUTNOMO

    Maurcio de Castro Pereira

    Projeto de Graduao apresentado ao Curso de

    Engenharia Eletrnica e de Computao da Escola

    Politcnica, Universidade Federal do Rio de

    Janeiro, como parte dos requisitos necessrios

    obteno do ttulo de Engenheiro.

    Orientadores: Fbio Nascimento de Carvalho

    Carlos Jos Ribas Dvila

    Rio de Janeiro

    Dezembro de 2015

  • ii

    PROJETO E DESENVOLVIMENTO DOS SISTEMAS DE

    CONTROLE DE SUBMERSO E DIRIGIBILIDADE DE

    UM VECULO SUBAQUTICO AUTNOMO

    Maurcio de Castro Pereira

    PROJETO DE GRADUAO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

    ENGENHARIA ELETRNICA E DE COMPUTAO DA ESCOLA POLITCNICA

    DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

    REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO

    ELETRNICO E DE COMPUTAO

    Autor:

    _________________________________________________

    Maurcio de Castro Pereira

    Orientador:

    _________________________________________________

    Eng. Fbio Nascimento de Carvalho, D. Sc.

    Orientador:

    _________________________________________________

    Prof. Carlos Jos Ribas Dvila, 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 Politcnica Departamento de Eletrnica e de Computao

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

    Rio de Janeiro RJ CEP 21949-900

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

    poder inclu-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar

    qualquer forma de arquivamento.

    permitida a meno, reproduo parcial ou integral e a transmisso entre

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

    venha a ser fixado, para pesquisa acadmica, comentrios e citaes, desde que sem

    finalidade comercial e que seja feita a referncia bibliogrfica completa.

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

  • iv

    DEDICATRIA

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

  • v

    AGRADECIMENTOS

    Agradeo aos meus orientadores Fbio e Cas pelo incentivo e pacincia durante essa

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

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

    William, Pedro, Leonardo e Karoline, em especial a Lilian, pois sem ela eu no superaria

    a burocracia de compra da faculdade.

    Por fim, agradeo ao meu grande amigo Rafael Mazza, certamente a graduao seria mais

    difcil e muito menos engraada sem ele, verdadeiro parceiro de ideias.

  • vi

    RESUMO

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

    eletrnico do prottipo de um veculo subaqutico autnomo, sem motor de propulso,

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

    de projeto e o desenvolvimento da parte terica, fez-se um levantamento das opes de

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

    comunicao) que compem o veculo. Por fim, foram realizados testes de bancada para

    garantir que os mdulos desenvolvidos atendem as especificaes 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 analgico-digital)

    ARM Advanced RISC Machine (Mquina avanada de RISC)

    AUV Autonomous Underwater Vehicle (Veculos Submarinos Autnomos)

    COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Ps-graduao e Pesquisa de Engenharia

    GND Ground (Terra)

    GPIO General Purpose Input/Output (Portas programveis de entrada e sada de

    dados)

    GPRS General packet radio service (Servio de rdio de pacote geral)

    GPS Global Positioning Systems (Sistema de posicionamento global)

    GSCAR Grupo de Simulao e Controle em Automao e Robtica

    GSM Global System for Mobile Communications (Sistema global para comunicaes

    mveis)

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

    de alta velocidade)

    IMU Internal Measurement Unit (Unidade de medio interna)

    INS Inertial navegation System (Sistema de navegao inercial)

    IP International Protection (Proteo internacional)

    LEAD Laboratrio de Controle e Automao, Engenharia de Aplicao e

    Desenvolvimento

    LIOc Laboratrio de Instrumentao Oceanogrfica

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

    instrues)

    ROV Remotely Operated Vehicles (Veculos operados remotamente)

    SisCAT Sistema de Controle, Aquisio e Telemetria

    SSR Solid State Relay (Rel de estado slido)

    UAV Autonomous Underwater Vehicle (Veculo subaqutico autnomo)

    UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro

    UUV Unmanned Underwater Vehicles (Veculos subaquticos no tripulados)

    VCC Tenso de alimentao

    VSA Veculos Submarinos Autnomos

    WCDMA Wide-Band Code-Division Multiple Access (Diviso de cdigo de acesso

    mltiplo de banda larga)

  • ix

    Sumrio

    1 Introduo 1

    1.1 - Veculos subaquticos operados remotamente (ROV) . . . . . . 2

    1.2 - Veculos subaquticos autnomos (VSA) . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    1.2.1 - Veculos com motorizao ativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    1.2.2 - Veculos sem motorizao 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 - Hbrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

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

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

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

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

    1.6.1 - Tabela de Navegao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2 Projeto Eletromecnico 13

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

    2.1.1 - Princpio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

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

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

    2.1.3.1 - Conversor Analgico-Digital . . . . . . . . . . . . . 21

    2.1.4 - Sistema de segurana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 - Princpio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

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

    2.2.3 - Sistema de segurana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

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

    2.2.3.2 - Circuito de proteo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

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

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

    2.3.1 - Princpio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

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

    2.3.3 - Sistema de segurana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

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

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