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0 UNIVERSIDADE ANHANGUERA NITERÓI ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO AUTOR: TIAGO SANTOS BARRETO – RA: 3200492706 AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE UM VEÍCULO OPERADO REMOTAMENTE Trabalho de Conclusão do curso de Engenharia de Controle e Automação NITERÓI 2017 1 AUTOR: TIAGO SANTOS BARRETO – RA: 3200492706 AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE UM VEÍCULO OPERADO REMOTAMENTE Trabalho de Conclusão do curso de Engenharia de Controle e Automação Trabalho de conclusão do curso de graduação apresentado ao curso de Engenharia de Controle e Automação da Faculdade Anhanguera unidade Niterói. Orientador: Amaury da Motta Figueira Coordenador do curso: Kátia Lavatori NITERÓI 2017 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 3 1.1 JUSTIFICATIVA ................................................................................................. 4 1.2 PROBLEMA DE PESQUISA .............................................................................. 4 1.3 OBJETIVO GERAL............................................................................................. 5 1.4 OBJETIVO ESPECÍFICO ................................................................................... 5 1.5 METODOLOGIA ................................................................................................. 7 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................... 7 2.1 VEÍCULOS REMOTAMENTE OPERADOS - ROV ............................................ 7 2.2 COMPONENTES DO ROV ................................................................................ 8 2.3 MOTORES ....................................................................................................... 10 2.4 PROPULSORES .............................................................................................. 11 2.4.1 Hélices .............................................................................................................. 12 3 CORDÃO UMBILICAL ..................................................................................... 13 3.1 SISTEMA DE ENERGIA E POTÊNCIA ............................................................ 14 3.2 CONTROLE, COMUNICAÇÃO E AUTOMAÇÃO DE UM ROV ........................ 15 3.3 JOYSTICKS .................................................................................................... 16 3.3.1 Controle de rovs ............................................................................................... 16 REFERÊNCIA DE LITERATURA ............................................................................. 17 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ......................................................................... 18 3 1. INTRODUÇÃO A ideia desse trabalho é mostrar como o ROV (Veículo Operado Remotamente) funciona e como é o seu sistema eletrônico de controle e automação embarcados. No capítulo abordou-se; a introdução (mostrando toda a história e como é um ROV), a justificativa, o problema, a metodologia e objetivos, mostrando em detalhes suas análises científicas, através de um embasamento teórico sobre as partes que envolve controle e automação de um ROV. Abordou-se a parte de protocolo de comunicação do ROV, o meio em que ele se comunica e a parte do controle eletrônico do joystick que manipula os movimentos dos motores.ROV (Veículo Operado Remotamente) é um veículo submarino não tripulado, remotamente controlado, que permite observar tudo de baixo d’agua a partir de uma câmera acoplada nele.A parte elétrica e de comunicação da câmera entre o equipamento e a superfície são feitas por um cabo, chamado de “Umbilical”.A operação com ROV permite chegar a profundidades onde o homem jamais mergulhou e permanecer mais tempo de baixo d’água. É possível a inspeçãosubmarina de águas impróprias que apresentam um grande risco ao ser humano. O ROV foi criado, projetado e desenvolvido porDimitriRebikoff em 1953 e seu equipamento foi utilizado na arqueologia subaquática. É possível usar Umbilicais ultrafinos com fibra óptica e de propulsores acoplados magneticamente (Conhecidos como Trusters), resultando em maior segurança e facilidade de operação. Com os avanços tecnológicos os ROVs ficaram menores e habilitados a atingir grandes profundidades, como os que foram usados para explorar o navio naufragado “Titanic” à 4.000 metros de profundidade e nas perfurações na bacia de campos no RJ onde conseguiram chegar a 3.000 metros de profundidade.Os ROVs no Brasil são utilizados no mercado de petróleo, com a finalidade de executar trabalhos de perfuração em poços e galerias de petróleo nos oceanos, em inspeções de cascos de navios, cais e rios poluídos.O piloto de ROV (Pessoa que opera o equipamento), atua em operações de inspeção de obras de engenharia e missões de resgate subaquático. Para o ROV ser operado remotamente em um navio, o equipamento precisa ser ligado por um meio elétrico e eletrônico, além de precisar de protocolo de comunicação junto com à fibra de vidro, além disso, para operar remotamente os motores e as câmeras 4 eles precisam ser programados por uma placa controladora convertendo sinais em movimentos manipulados por joystick. O ROV tem sua importância nas explorações de mares e oceanos, muito utilizado em pesquisas marinhas, na busca por destroços de embarcações ou aviões, pesquisa e exploração nospoços, e é bastanteusado principalmente em operações e manutenções em poços submersos, posicionamento de tubos, construção submarina e muito mais.Nos atuais dias, o ROV tornou-se uma ferramenta de grande importância na exploração e extração do petróleo e gás nas profundezas do oceano. O ROV chega a uma profundidade onde o mergulhador não consegue chegar devido a pressão exercida no fundo.Espera- se que a análise e estudos deste trabalho possa contribuir com a pesquisa acadêmica despertando o interesse na área de desenvolvimento de sistemas submergíveis não tripulados.Tais sistemas permitem explorar trabalhos que envolvam controles de posicionamento e monitoramentos por meio de sensores específicos, podendo ser uma fonte significativa na execução de trabalhos de pesquisa. Esse tipo de iniciativa pode dar origem a criação e expansão de comunidades brasileiras de exploração e observação subaquática e também a formação de projetos escolares, expandindo as atividades que professores de ensino fundamental, médio e superior podem desenvolver dentro sala de aula como fora também. Os problemas de pesquisa encontrados nesse trabalho foi a gama de materiais técnicos que não são muito divulgados na internet ou em livros, pois os ROV’s não são equipamentos Brasileiros e sim importados de outros países, por conta disso, essa tecnologia é muito fechada, então como descobrir essa tecnologia embarcada no equipamento? Como fazer um trabalho com pouca documentação técnica? É preciso responder essas perguntas para elaborar o trabalho ideal. O objetivo geral desse trabalho foi estudar o funcionamento operacional do ROV, com base cientifica e explicar o sistema controlável de automação englobado no equipamento e apresentar o funcionamento deles. Os objetivos específicos desse trabalho foi o estudo e as verificações: • Verificar se como é o funcionamento dos motores e sua locomoção e flutuabilidade na água; 5 • Verificar como atua a comunicação peo seu cordão umbilical (cabeamento ligado ao ROV); • Verificar comoé a parte estrutural do ROV; • Verificar como é o processo de energização fornecida para o ROV; • Verificar o funcionamento dos equipamentos de controle e automação do ROV; A metodologia deste trabalho foi uma revisão literária no qual esse projeto se enquadra como uma pesquisa aplicada e a aplicação de conhecimentos teóricos e uma revisão de literatura. Como existe uma necessidade de levantamento bibliográfico para aplicar a solução adequada no objetivo, classifica-se como exploratórios. Os procedimentos técnicos analíticos são constituídos de pesquisa bibliográfica. As etapas para concluir e atingir os objetivos propostos são, primeiramente, um levantamento de possíveis soluções na parte motora do ROV. Questões como quais são os procedimentos e equipamentos utilizados, quais são os métodos usados para fazer a submersão e emersão, ou também, como fazer para controlar os motores adequadamente pretendem ser respondidas com este trabalho. Após uma análise das possíveis sugestões, o próximo passo é fazer a escolha de quais soluções para os objetivos são as mais apropriadas para o projeto, tendo consideração nessa escolha, o desempenho do componente na tarefa que realiza e se terá impacto em outras funções como, por exemplo: peso desse componente dificultaria de forma considerável a movimentação subaquática. 2. FUNDAMENTAÇÂO TEÓRICA 2.1. VEÍCULOOPERADO REMOTAMENTE - ROV Segundo Robert L. (2013), o ROV - Veículo operado remotamente é chamado de robô submarino que tem a operação remota através da base operacional comandada por um navio enquanto o equipamento segue seu trabalho. A ligação desse equipamento (ROV) é um cabo parecido como cordão umbilical de uma criança recém nascida que liga todos os sinais 6 eletroeletrônicos do comando do equipamento, retornando dados e sinais dos sensores para os pilotos (Operadores).Num sistema complexo uma gaiola submersa é usada para fazer a locomoção até as profundezas. 2.2 COMPONENTES DO ROV O sistema do ROV possui componentes indispensáveis para sua operação e locomoção e está dividido em: hélices, motores, cordão umbilical e alimentação, joystick.( Robert, 2016,p. 50 ). 2.3 MOTORES Segundo Nizolli (2015), os pequenos ROV’s elétricos, apresentam a tecnologia de propulsores brushless DC nos sistemas controláveis operado por computador e sistemas de telemetria e fibra óptica. Operados eletricamente pode ser desenvolvido e projetado para submergir 20.005 pés, com menos corrente necessária para opera-los.A capacidade do equipamento para executar pesados trabalhos, limitado pelo design ao eletro-hidráulica na manipulação “sistemas de trabalho”, mesmo assim, os ROV’s podem executar muitos trabalhos a um menor custo.Os ROV’seletroeletrônicosficaram populares com militares também com a ciência, por causa do seu trabalho silencioso. Figura 1 - ROV Náuticus Fonte: Society (1970). Classe de ROV’s (Tamanho médio) refere-se aos equipamentos eletro- hidráulicos tendo uma potência de 20 à 100 cavalos, geralmenteeles podem só transportar moderadas cargas e limitadas a estrutura na capacidade de 7 transporte. Esses ROV’s variam muito de peso, ficam entre 1,000 a 2,200 KG, tendo capacidade na carga normalmente de 100 a 200 kg de carga.Eles normalmente carregam um único manipulador, alguns tem sua capacidade bruta de levantar acima de 300kg no braço mecânico. A classe que foi criada especialmente para realizar trabalhos levando seus controles nas condições sob forte corrente marinha. Os primeiros ROV’s desenvolvidos igual aos SubmarinoHydrae Tritech .Alguns trabalhos são o apoio a perfuração, apoio de inspeção e construção em poços e oleodutos. ( Kuhn, 2015,p.123 ). Figura 2–Equipamento de porte médio ScorpioPerry’s. Fonte: Technology Marine Society(1970). Esses equipamentos de porte médio, são equipamentos que realizam grandes trabalhos podendo ser separados pela sua capacidade e profundidade. A classe de porte médio são usados para grandes profundidades oceânicas entre 8.202 pés (2.500 metros de profundidade), variando sua potência de motor entre 100 a 250 cavalos com a capacidade elevatória de 5.000kg, as principais características distintas entre o de médio e grande porte.Os motores elétricos e eletro-hidráulicos são usados na propulsão dos ROVs, os motores são vedados para não ter entrada de agua e podem ser usados em agua salgada. O motor vira 100% de baixo d´agua refrigerado no liquido isolante. 8 Figura 3 -Eletromotor Fonte: ENGINEERING (2017). Segundo Christ (2016) os motores dos ROV’s possuem o eixo pelo qual uma dos ladossão colocadosà hélice. Essa configuração propulsor e motor é posto dentro do tubo assim dando melhorias no desempenho hidrodinâmico. O aspecto importante da propulsão do ROV é que o peso que gera o motor, hélice e tubo seja minimizado assim maximizando a potência. Essa melhoria de relação entre potência e peso são importantes para assegurarem maior mobilidade ao ROV.Essaclassificação de construção tem limitações de peso dos componentes, geralmente metálicos, vedação e ligação do motor e o eixo, assim limitando a melhoria em relação da potência e peso.Existe uma outra desvantagem em suas características na construção de todos os motores convencionais. A hélice é alocada em um dos lados do eixo é muito importante o comprimento das pás tendo que ser bem maior que o raio do rotor minimizando o efeito do rotor quando é feita a propulsão num sentido a outro sentido.Como se trata de um robô submarino, o motor obrigatoriamente tem que ser vedado completamente não podendo em hipótese alguma entrar água. 9 2.4 PROPULSORES Segundo pesquisas feitas no ISE( InternationalSubmarineEngineering no Canadá) no momento em que ROV se desloca com constante velocidade, a propulsão exercida pelos motores se igualam à força dearrasto executada pelo ROV, �� = �� = � � ��� � ( 2.1 ) F − Força de propulsão �N� F� − Força de arrasto �N� V – Velocidade (m/s) C − Coe!iceente de arrasto A – área de referência (frontal) (m&) p- massa específica do fluido (kg/m') (�)*�+,-*) = ��� = � � ��. �( 2.2 ) As variáveis na entrada são inseridas em (N) força e (m/s) velocidade, as quais mostraram um valor da potência. 2.4.1 Hélices Na Engenharia Naval, o termo padroniza as hélices à um motor são tratados no masculino, mostrando o processo de empuxo de um barco. Tendo as hélices como um dos componentes principais do sistema de motoresutilizados no equipamento, funcionamento de suas características principais.Tendo as hélices como um dos componentes principais do processo de propulsãousadosnoequipamento, é importante notar com de uma revisão breve,suas operaçõese suas características principais.As hélices são construídas e constituídas em um núcleo ao redor ao qual estão montadas e distribuídas num número de pás. 10 A oposta superfície do dorso, é normalmente arqueada A secção transversal da pá,compara-se à dos perfisde resistência dapenetração dos líquidos. A pá da hélice, está limitada pelo contorno a proa é chamada de “bordo de ataque” e a popa de “bordo defuga”. A área da pá é formada por uma espessura decrescente caindo docentro para a periferia. A junção das respectivas pás com o cubo acontecem através de suassuperfícies na adesão, que formam um ponto de resistência altanos hélices. ( Steven W., 2010, p.200). Figura 4 - Partes de uma hélice. Fonte: Hélices Ceyreste, (2004). Na teoria de Brodbeck Nicolete (1955), para definir a hélice énecessário separar:de pás, passo, diâmetro e variação, diretriz, largura em cima doeixo, espessura periférica, natureza da hélice, distânciada entra as espessuras máximas ao bordo de ataque, além de superior vista e frontalque detalhem a forma do cubo e o contorno da pá. 11 Figura 5 - Modelo gráfico de um hélice. Fonte: BRODBECK e NICOLET, (1955). Segundo o lado de construção do hélice o sentido da vazão do fluido depropulsão é alterado. A ordem dos parâmetros do hélice permitem o desenvolvimento de hélicessuficientemente capazes de gerar a mesma propulsão nos doissentidos. 3. CORDÃO UMBILICAL A comunicação do ROV e dos operadores são realizados através de um cabo de fibra-ótica e cabo elétrico. Essecabo, é chamado de cordão umbilical, ele transmite aos pilotos, asinformações de todos os sensores no ROV, todas as imagens das câmeras, todas as medições de funcionamento e potência dos atuadores possibilitam a dirigibilidade destes equipamentos e enviam ao ROV todos os comandos para operação e alimentação de energia.(Steven W., 2010, p.200). A fibra-óptica, permite que os operadores tenham um maior fluxo de envio de dados e informações, permitindo a utilizaçãode muitos tipos de sensores e operação em real tempo. Segundo Benthos (2003), os “cordões umbilicais” são construídos com um revestimento podendo operar com uma tensão de trabalho, tendo seu dimensionamento definido. 12 Figura 6 - Fibra óptica Fonte: Revista Mergulho Cabos Submarinos, 2012. 3.1. SISTEMA DE ENERGIA E POTÊNCIA Os Veículos Remotamente Controladostem sistema elétrico externo conduzido por uma fonte elétrica. A eletricidade é conduzida pelo cordão umbilical e alterada paraas tensões diferentes utilizadono sistema embarcado ROV. ROBERT L., (2013). Apesar de que esta prática énormal.Os maiores problemas é o custo alto do cabo e o risco alto combinado ao uso de alta- tensão.São poucos os ROVsque utilizam sistema de alimentação embarcada, por ser umacarga extra na viagem doequipamento, e o tempo de autonomia do equipamento. No entanto,existem vantagens na utilização desse sistema, reduz o diâmetrodo cordão umbilical, consequentemente reduza interferência nos cabos de comunicação do mesmo e redução nos riscos curto-circuito ou choque elétrico. Baseando-se naNationalResearchCouncil(1996) a definição do sistema elétrico a ser implantado no equipamento, afetará sua capacidade de carga e autonomia. Corriqueiramente a fonte de energia é analisada em termos de eletricidade e potência, mas poderá referenciar-se também em energiaespecífica “watts/h litro”.As baterias são utilizadas comofonte secundária ou fonte primária. 13 3.2 CONTROLE, COMUNICAÇÃO E AUTOMAÇÃO DE UM ROV A comunicação e o controle entre o piloto e o ROV são extremamente importantes paraa execução das missões onde os equipamentos são usados. Nos tempos atuais podemosanalisar grande quantidade de faculdades que criam e desenvolvem novas tecnologias paramelhoraro ferramental dos ROVs.O British Columbia Instituteof Technology obtém seus sistemas eletrônicos distribuídos entre três módulos todos separados: interface do usuário, controle de ferramentaria e controle de propulsores. Christ, (2013) Cada um dos módulos contém 1 microcontroladorAtmel AVR ATmega644 acoplado numa placa de circuito impresso.Este GNU suporta a arquitetura AVR para a programação seja feita numa linguagem de alto nível. Saber programarum ROV numa linguagem de alto nível,é possível fazer alteraçõesmuito mais rápidas facilitando todo o processo encontrando e reduzindo erros de programação. A interface e módulo de comunicação estão localizados namesa de operação na superfície. O ROV recebe todos os comandos no dispositivo de entrada o joystick, através de uma placa controladora converte em comandos para o ROV e os envia através do protocolo EIA485. A ferramenta de controle é instalada na frente do ROV. Ela recebe os comandos da superfície vindos do cordão umbilical, envia comandos para os quatro motores, pela via SPI (Serial Peripheral Interface) controlando as câmeras, propulsor e servos. 14 Figura 7 - ROV e ferramenta de controle Fonte: British Columbia Institute of Technology (2016) A ferramenta de controle do motor está localizada na popa do ROV recebendo comandos pala ferramenta de controlevia SPI e emite sinais PWM controladores motores de acordo com a programação. 3.3 JOYSTICKS O joystick é uma espécie de alavanca que é acoplada a uma base e movimentada em duas ou 4 dimensões e são utilizadaspara o controle simultaneamente e continuo para muitas operações. Joystick é um hardware de controle que é constituídopor uma varapelo qual os potenciômetros internos transmitem seu seus movimentos em três dimensões paraum microcomputador. Ele é usado geralmenteem comandos, e tem normalmente botões de precisão cujo estado é ligado ao computador. Serve para controlar jogos, mas além de controlar jogos, os joysticks também são usados para controlar equipamentos como por exemplo:guindastes, elevadores, caminhões ou robôs. Os joysticks mais recentes são usados como dispositivos em navegação para equipamentos eletroeletrônicos tais como ROVs. Os joysticks surgirame foram implementados como controle de aviões. 15 FIGURA 8 – Modelo de Joystick Fonte: Giovanne, (2007). 3.3.1 Sistema de controle dos rovs O ROV tem um sistema de controle empregado de maneira mais eficiente, ele é empregado nos sistemas, como navios, aviões e robôs, eles seguem uma junção de blocos funcionais e estruturais de camadas e níveis que são montados hierarquicamente providos de uma arquitetura. O nível superior dessa arquitetura, são devidamente responsáveis pela execução das tarefas desempenhadas pelo sistema. Este sistema é detalhado em trabalhos menores, as informações passam das superiores camadas para as camadas inferiores da arquitetura até a definição da trajetória da posição e a velocidade na camada inferior. Uma básica estratégia de controle é empregada no acionamentodos atuadores, turbinas, propulsores ou rodas, acompanhando a trajetória informada. As estratégias, apresentadas no nível inferior dessa arquitetura, são conjuntos de algoritmos bem distribuídos em vários blocos que se interagemno sistema móvel. 16 REFERÊNCIA DE LITERATURA CAPÍTULO I Livro: Controle Automático de um ROV utilizando sensoriamento de baixo custo – 1ª Edição Ano da publicação: 2015 Autores: Nizolli Kuhn Vinícius e C. P. Gomes Sebastião Livro: The ROV Manual a User Guide for Remotely Operated Vehicles Ano da publicação: 2013 Autores: Robert L. Wernli, Robert D. Christ Livro: The ROV Manual: a User Guide for Observation Class Remotely Operated Vehicles Autores: Christ, Robert d, Wernli, Robert l. Editora: Society for Neuroscience CAPITULO II Livro: The ROV Manual: a User Guide for Observation Class Remotely Operated Vehicles Autores: Christ, Robert d, Wernli, Robert l. Editora: Society for Neuroscience Livro: Dispositivos Eletrônicos e Teoria de circuitos – 11ª edição Ano da Publicação: 2013 Atores: Boylestad, Robert Editora: Pearson Livro: Fundamentos de Física 1 - Mecânica - 10ª edição. Ano da Publicação: 2016 Autores: Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl Editora: LTC 17 CAPITULO III Livro: Fundamentos de Física 2 - Mravitação,Ondas, Termodinâmica - 10ª edição. Ano da Publicação: 2016 Autores: Halliday,David , Walker, Jearl, Resnick, Robert Editora: LTC Livro: Física 3 - Eletromagnetismo - 14ª Edição Ano da Publicação: 2016 Autores: Freedman, Roger A. Young, Hugh D. Editora: Pearson Livro: Underwater Robotics: Science, design and fabrication Ano de publicação: 2010 Autores: Steven W. Moore, Harry Bohm 18 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Livro: Controle Automático de um ROV utilizando sensoriamento de baixo custo – 1ª Edição Ano da publicação: 2015 Autores: Nizolli Kuhn Vinícius e C. P. Gomes Sebastião Livro: The ROV Manual a User Guide for Remotely Operated Vehicles Ano da publicação: 2013 Autores: Robert L. Wernli, Robert D. Christ Livro: The ROV Manual: a User Guide for Observation Class Remotely Operated Vehicles Autores: Christ, Robert d, Wernli, Robert l. Editora: Society for Neuroscience Livro: Dispositivos Eletrônicos e Teoria de circuitos – 11ª edição Ano da Publicação: 2013 Atores: Boylestad, Robert Editora: Pearson Livro: Fundamentos de Física 1 - Mecânica - 10ª edição. Ano da Publicação: 2016 Autores: Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl Editora: LTC Livro: Fundamentos de Física 2 - Mravitação, Ondas, Termodinâmica - 10ª edição. Ano da Publicação: 2016 Autores: Halliday,David , Walker, Jearl, Resnick, Robert Editora: LTC 19 Livro: Física 3 - Eletromagnetismo - 14ª Edição Ano da Publicação: 2016 Autores: Freedman, Roger A. Young, Hugh D. Editora: Pearson Livro: Underwater Robotics: Science, design and fabrication Ano de publicação: 2010 Autores: Steven W. Moore, Harry Bohm Remotely Operated Vehicle System - Operation and Maintenance Manual, BENTHOS, EUA. STINGRAY MK II (2002) - ISE( InternationalSubmarineEngineering no Canadá) http://www.ise.bc.ca/ Pesquisa feita no site em 2017