Desenvolvimento do circuito para auxílio no posicionamento fluvial para veículos aéreos não-tripulados anfíbios

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Relatório Final de Atividades 
 
 
 
 
Desenvolvimento do circuito para auxílio no posicionamento 
fluvial para veículos aéreos não-tripulados anfíbios 
vinculado ao projeto 
Sistema de posicionamento fluvial para veículos aéreos não-tripulados 
anfíbios 
 
 
 
 
William Emmert Gonçalves 
Voluntário 
Engenharia Eletrônica 
Data de ingresso no programa: 04/2018 
Prof(ª). Dr(ª). Fábio Rizental Coutinho 
 
 
 
Área de Conhecimento (CNPq) 3.04.05.00-9 
 
CAMPUS Toledo, 2018 
 
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PR
 
Ministério da Educação 
Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação 
 
 
WILLIAM EMMERT GONÇALVES 
FÁBIO RIZENTAL COUTINHO 
 
 
 
 
 
 
 
DESENVOLVIMENTO DO CIRCUITO PARA AUXÍLIO NO POSICIONAMENTO 
FLUVIAL PARA VEÍCULOS AÉREOS NÃO-TRIPULADOS ANFÍBIOS 
 
 
 
 
 
 
 
Relatório de Pesquisa do Programa de Iniciação 
Científica da Universidade Tecnológica 
Federal do Paraná. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TOLEDO, 2018 
SUMÁRIO 
 
INTRODUÇÃO 4 
METODOLOGIA 5 
RESULTADOS E DISCUSSÕES 7 
CONCLUSÕES 
REFERÊNCIAS 
8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUÇÃO 
 
Atualmente, existe uma crescente preocupação com os recursos hídricos, que estão 
constantemente sofrendo com o lançamento de efluentes industriais e domésticos, 
comprometendo a fauna aquática e a qualidade da água. O assoreamento dos rios também 
merece atenção, pois diminui a profundidade do leito levando, em alguns casos, a ocorrências 
de enchentes, prejudicando em muito a população dos arredores. No caso de reservatórios, a 
sedimentação é um fenômeno a ser monitorado constantemente. A monitoração de 
características de rios/lagos/canais é normalmente realizada por estações de medição fixas em 
apenas alguns pontos da extensão do curso d’água devido ao alto custo de se instalar várias 
estações de monitoramento ao longo de todo o rio. A medição também pode ser feita 
manualmente por meio de deslocamento de um ou mais técnicos de medição munidos de 
equipamentos portáteis. Nesse caso, a medição não fica restrita a pontos geográficos fixos; 
entretanto a periodicidade da obtenção da informação é geralmente muito menor do que ao se 
utilizar as estações de medição fixas. Um exemplo de sistema para medição de profundidade é 
a patente descrita em [1] no qual a mesma é destinada a poços artesianos. Composto por uma 
sonda, dispositivo de leitura e controle e um dispositivo opcional de programação 
(computador). Entretanto este sistema necessita que um operador esteja no local da medição 
para que a mesma possa ocorrer ou então que o ponto de medição permaneça fixo. Uma maneira 
de facilitar esses monitoramentos manuais e aumentar o número de pontos de medição é a 
utilização de equipamentos de medições inseridos dentro de uma embarcação de pequenas 
dimensões, controlada remotamente. Um exemplo é a invenção em [2], onde é descrito um 
modelo de utilidade de um sistema para medição de topografia submarina que utiliza uma 
espécie de mini barco não tripulado onde os medidores estão montados dentro dele. O veículo 
é dotado de câmera e sensores ultrassônicos para detecção de obstáculos e medição de eventuais 
barreiras que podem estar em torno da embarcação. Também possui comunicação sem fio para 
enviar e receber dados de uma estação em terra. Em [3] é descrito um sistema para medição 
acurada de vazão de rios que utiliza uma mini embarcação não-tripulada. Para controlar o 
veículo é utilizado um smartphone e tecnologia GPS. A embarcação pode navegar 
autonomamente por um caminho pré-configurado para realizar uma medida mais precisa da 
vazão do rio. Uma dificuldade deste tipo de medição é a necessidade de se aproximar até a 
margem do rio. Em muitos casos, acidentes topográficos, matas fechadas, etc, podem dificultar 
a aproximação da margem do rio. Nesses pontos de difícil acesso, a medição usando esse 
método pode ficar inviabilizada. Além disso, muitos cursos d’água apresentam acidentes 
geográficos, como pedras, quedas d’água, trechos com pouca profundidade, dentre outros, que 
inviabilizam que uma embarcação miniatura consiga percorrer toda sua extensão. 
Veículo aéreos não-tripulados também podem ser empregados para monitorar cursos 
d’água. Um exemplo é a patente [4], nela é descrito um sistema que utiliza Veículos Aéreos 
Não-Tripulados (VANT) para realizar automaticamente a coleta de água em pontos fixos da 
superfície da água. O VANT possui mecanismos para coleta da água e transporte das amostras 
de água para posterior análise em laboratório. O objetivo principal do sistema é substituir a 
coleta manual por uma coleta automática de amostras de água voltadas para o ambiente 
marinho, principalmente para verificar a contaminação por óleo. Em [5] é descrito um modelo 
de utilidade de um sistema para controle e aquisição de amostras de rios e lagos baseado em 
VANT multi-rotores. O VANT possui um dispositivo para coleta e armazenamento da água. 
Também é mencionado que o VANT é controlado manualmente até chegar próximo ao local 
da coleta. Diferente de [4] a aplicação fim é para rios e lagos. O sistema é composto pelo rádio 
controle, sistema de navegação, câmeras, transceptores wireless, multirotores, e dispositivos 
para retirar e armazenar amostras de água. Em [6] é descrito um veículo aéreo multirotor que 
amostra a água através de um tubo e uma bomba para sucção. O VANT possui sistema 
ultrassônico para perceber a sua altitude e dessa maneira posicionar corretamente a mangueira 
de sucção na água. Em todos esses exemplos os VANT’s efetuam medidas ou coletas de fora 
d’água. 
Uma maneira de facilitar esses monitoramentos manuais e aumentar o número de pontos 
de medição é a utilização de equipamentos de medições inseridos dentro de uma embarcação 
de pequenas dimensões, controlada remotamente. Em um projeto desenvolvido em conjunto 
com a Fundação PTI - EDITAL FPTI-BR 037/2013 [1] – foi desenvolvido um Veículo Aéreo 
Não-Tripulado (VANT) anfíbio como uma alternativa de monitoração de cursos d’água. Este 
VANT foi equipado com um sistema de medição para avaliar diversas características do 
rio/lago/canal. Como o VANT pode se deslocar por ar, ele, facilmente, consegue acessar locais 
como um manancial que fique em terreno acidentado, ou então desviar de relevo, como 
eventuais quedas d’águas, pedras dentre outros. Por outro lado, flutuando na água, o veículo 
pode deslocar-se aproveitando da corrente natural do curso d’água, obtendo um ganho 
significativo na autonomia e no espaço que pode ser percorrido. Desta forma, o VANT pode 
percorrer um longo trecho do rio/lago/canal efetuando diversas medições em pontos 
distribuídos ao longo de sua extensão. Atualmente, este equipamento, quando flutuando na 
água, necessita de um operador para atuar nos rotores e efetuar a trajetória de medição desejada. 
O operador também é necessário para evitar que o VANT colida com obstáculos ou que ele 
atinja a margem do rio/lago/canal. Este projeta visa desenvolver um sistema de posicionamento 
fluvial para este VANT, baseado em sensores de ultrassom, que permita que a detecção das 
margens do canal/rio/lago e de eventuais obstáculos. O objetivo do desenvolvimento deste 
sistema é propiciar o sensoriamento adequado para que no futuro o VANT tenha a possibilidade 
de se movimentar de forma autônoma, quando flutuando na água, dispensando assim presença 
de um operador presente no local. 
 Uma forma de facilitar o monitoramento de rios e lagos, aumentando o número de pontos 
de medição é a utilização de equipamentos de medições inseridos em embarcações com 
pequenas dimensões, como um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) anfíbio, programado 
para seguir um determinado percurso. Para isso, é necessário que o drone possua um sistema 
capaz de perceber obstáculos a distância e evitá-los.Este trabalho propõe o estudo de um circuito capaz de medir distâncias significativas na 
água através de um sensor ultrassônico a partir da técnica Pulso-Eco. O dispositivo final deve 
apresentar dimensões adaptadas para ser embarcado no VANT. 
 
 
METODOLOGIA 
 
 A Figura 1 apresenta o método utilizado neste trabalho, com a etapa I sendo alimentada 
com uma tensão de 12 V, e as etapas II e IV sendo alimentadas em 5 V, as demais possuem 
alimentação própria externa ao circuito. O Microcontrolador gera uma onda de baixa amplitude 
de 40 kHz convertida para uma onda de alta tensão pela etapa I. A chave analógica 
HCF4066BE, que possui quatro chaves internas, foi utilizada para controlar a quantidade de 
pulsos enviados ao transdutor transmissor, que converte o sinal de alta tensão em ondas de 
ultrassom, e também para controlar o tempo de espera do receptor pelos ecos que são 
amplificados por IV, o estado aberto e fechado da chave é controlado pelo microcontrolador. 
 Em V é calculado o tempo de trânsito deste eco e utilizado para cálculo da distância. Após 
isso, o resultado é transferido para o Computador (VI) via USB. O microcontrolador utilizado 
foi o ATmega328P, presente na placa Arduino Uno, por possuir saídas suficientes para controle 
da Chave analógica, PWM para excitação do transmissor e entrada para leitura da largura do 
pulso do sinal recebido da etapa de aquisição. 
Excitação (I) Aquisição (IV)
Microcontrolador (V)
Chave analógica (II)
Transdutores (III)
Computador (VI) 
Figura 1 – Diagrama de blocos do sistema 
 
 A Figura 2 apresenta o circuito da etapa de Excitação. O gerador de pulsos é representado 
como o gerador de funções e a chave HCF4066BE como S1. O controle da quantidade de pulsos 
transmitidos é feito em código, de modo que fossem enviados uma quantidade definida de 
ciclos. 
 Os pulsos então, passam pelo estágio amplificador emissor comum, com um 
transformador na saída, com relação 1:10, acoplando o transdutor. Na frequência de operação 
do circuito, a impedância indutiva do transformador minimiza as perdas com a impedância 
capacitiva do transdutor [7], proporcionando um melhor desempenho. 
 
 
 
Figura 2 – Circuito da etapa de Excitação 
 
 No circuito de aquisição apresentado na Figura 3, o tempo de espera do eco também é 
controlado através da chave HCF4066BE (S2). O sinal recebido é amplificado e filtrado pelos 
dois estágios do tipo emissor comum com realimentação. 
 
 
Figura 3 – Circuito da etapa de Aquisição 
 
 Após a amplificação e filtragem, o sinal passa por um detector de pico (D1 e C4), para 
obter a envoltória do eco recebido, seguindo por um buffer (Q5) e um comparador com tensão 
de referência de 2,5 V (U1A), enviando 0 V ou 5 V ao microcontrolador. 
A distância então é calculada multiplicando metade do tempo de trânsito pela velocidade 
do som no meio testado. O resultado é enviado ao computador através da comunicação serial 
USB com taxa de transferência de 9600 bits/s, sendo o resultado apresentado em tela usando a 
função Plotter Serial. 
 
 
RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
 Foi levantada a curva de ganho por frequência no simulador Multisim. Através da 
inserção de um gerador na entrada e utilizando a análise AC Sweep obteve-se Vout1/Vin (Figura 
3). A curva é apresentada na Figura 4, com magnitude em dB e frequência de 20 kHz a 60 kHz. 
 
 
Figura 4 – Curva de ganho por frequência 
 
 Observa-se que, o circuito tem um ganho significativo para a frequência de 40 kHz, como 
esperado. 
 Foram realizados testes nas etapas de excitação e aquisição. A etapa de excitação 
apresentou uma tensão de saída no transdutor de aproximadamente 80 Vpp. O circuito de 
aquisição apresentou um ganho de aproximadamente 25 dB. As medidas de distância foram 
feitas em dois meios diferentes para teste do circuito. 
O primeiro teste foi feito utilizando os transdutores para o ar, sendo estes fixados sobre 
uma mesa e, variando a distância até uma parede, foram medidos alguns pontos. O transdutor 
foi excitado com um sinal de 40 ciclos para este teste. A velocidade do som utilizada para 
cálculo da distância foi de 340 m/s. Os resultados são apresentados na Tabela 1. 
 
Tabela 1. Medidas realizadas no ar 
 
Distância (cm) Distância média 
medida (cm) 
Erro relativo 
(%) 
75 74 1,33 
81 80 1,23 
120 118 1,667 
 
 Observa-se que o erro relativo se apresentou baixo, não sendo crítico para a aplicação. 
 O segundo teste foi feito utilizando os transdutores para a água, sendo o principal objetivo 
deste trabalho. Os transdutores foram posicionados sobre um recipiente cheio d’água, de 80 cm 
de altura por 46 cm de diâmetro, de modo que a superfície dos transdutores tocasse na água. O 
transdutor foi excitado com um sinal de 2 ciclos (40 kHz) apenas, devido às perdas serem 
menores na água. A velocidade utilizada para cálculo foi de 1450 m/s. Os resultados são 
apresentados na Tabela 2. 
 
Tabela 2. Medidas realizadas na água 
 
Distância (cm) Distância média 
medida (cm) 
Erro relativo 
(%) 
58 55 5,17 
63 59 6,34 
 
 Neste caso, houve um aumento do erro relativo. Porém, pode ser melhorado futuramente 
fazendo pequenos ajustes no circuito. 
 Para ambos os testes, foi feita uma calibração do sistema para correção de erros 
sistemáticos. 
 
CONCLUSÕES 
 
 O circuito apresentou um bom desempenho com ganho suficiente para detecção de 
obstáculos. Os resultados apresentaram erro relativo baixo para a aplicação desejada. 
 Futuros aprimoramentos no circuito como inclusão de um amplificador de ganho variável, 
controle mais preciso da excitação e tempo de escuta da aquisição ajudarão a minimizar o erro 
relativo, caso necessário. 
 Portanto, as características do circuito apresentado dão potencial ao mesmo de ser 
embarcado em um VANT e de ser capaz de reconhecer obstáculos antecipadamente, evitando 
danos ao drone. 
 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
[1] MEDIDOR DE PROFUNDIDADE E SISTEMA DE MEDIÇÃO DE 
PROFUNDIDADE. Número do pedido: PI 0005380-5 A2, Data da publicação: 25/06/2002. 
Data de depósito: 06/11/2000. Classificação Internacional: G01B 7/26. 
 
[2] Unmanned measurement and control ship and unmanned measurement and control. 
Application number: CN20142205172U 20140424 Classificação Internacional: B63H20/02; 
G05B19/418. 
 
[3] METHOD AND OPTIMIZED CONTROL SYSTEM OF DISCHARGE 
MEASUREMENT BOAT FOR HIGH FIDELITY RIVER DISCHARGE 
MEASUREMENT. Application number: KR20120086197 20120807. Classificação 
Internacional: B63H25/04; G01C13/00; G05D1/02. 
 
[4] Unmanned aerial vehicle type automatic sampling system at fixed points of water 
surface. Tipo de publicação: Requerimento, Número da publicação: CN104458329 A, Número 
do pedido: CN 201410775143 Data de publicação: 25 mar. 2015, Data de depósito: 15 dez. 
2014 Data da prioridade: 15 dez 2014. 
 
[5] Automatic river and lake water sample control and acquisition system based on multi-
rotor-wing unmanned aerial vehicle. Número da publicação: CN204085945 U, Tipo de 
publicação: Concessão, Número do pedido: CN201420439772, Data de publicação: 7 jan. 2015, 
Data de depósito: 6 ago. Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós Graduação UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL 
DO PARANÁ PR 2014, Data da prioridade: 6 ago. 2014. Classificação internacional: 
B64C39/02, G08C17/02, G01N1/14, B64C39/08. 
 
[6] Aerial Water Sampler. Pub. No.: US2015/0268136 A1, Pub Date: Sep. 24, 2015. 
Classificação: B64C39/02; G01N1/14; G01S15/08; G05D1/00; G05D1/04 
 
[7] HUANG, H.; PARAMO, D. Broadband electrical impedance matching for piezoelectric 
ultrasound transducers. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency 
control, v. 58, 2011. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Fábio Rizental Coutinho William Emmert Gonçalves