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
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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 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
