RoboSub 2021

Em 2021 a Equipe TERRA realiza sua primeira participação na Robosub representando a Universidade Federal de Santa Catarina - Campus Joinville. O AUVille é o AUV desenvolvido pela equipe para essa edição da competição, e a seguir são apresentados os principais pontos desenvolvidos nesse projeto.

Estrutura

Para o design do AUVille a equipe decidiu seguir o design do BlueROV2, da empresa americana BlueRobotics, que é o equipamento que a equipe possui fisicamente em seu laboratório (Laboratório de Simulação Naval - LaSiN), pois as novas soluções desenvolvidas ao longo do projeto, poderão no futuro serem testadas experimentalmente e de fato implementadas.

Dessa forma, a equipe aprimorou o design inicial do ROV, incorporando mais um frame e um casulo, de modo a permitir a alocação de mais baterias, propulsores e novos componentes caso haja a necessidade no futuro. Vale ressaltar que o frame e casulo adicional são fabricados do mesmo material dos componentes originais do ROV, que são o polietileno de alta densidade (HDPE) e o acrílico fundido, respectivamente. Tais materiais foram selecionados por possuírem boas propriedades físicas, o HPDE possui resistência a altas tensões e baixa densidade quando comparado a outros materiais, já o acrílico fundido possui uma excelente resistência ao estresse mecânico e uma boa estabilidade térmica.

Fonte: Equipe Terra, 2021

De modo que a parte estrutural do veículo com todos seus componentes eletrônicos e propulsores possui cerca de 15 kg e o peso total das baterias propostas para esse projeto é de 2.11 kg, resultando assim num peso final de 17.11 kg para o conjunto completo do AUVille. A modelagem da estrutura completa realizada no software ANSYS pode ser observada na figura ao lado.

Simulações estruturais

De uma maneira geral, a simulação estrutural foi realizada através do software ANSYS para determinação de esforços internos e externos e das correspondentes tensões, bem como a determinação dos deslocamentos e correspondentes deformações da estrutura que está sendo projetada para que com os resultados obtidos fosse possível compreender se a estrutura seria resistente para suportar todos os esforços no qual ela estaria sujeita durante a execução da missão.

Fonte: Equipe Terra, 2021

Sistema Propulsivo

Com relação ao sistema de propulsão do AUVille, a equipe optou por manter a configuração comercial do equipamento BlueROV2, em decorrência da impossibilidade de realizar testes na água para validação da nova configuração. Sendo assim, manteve-se quatro propulsores horizontais angulados a 45º e dois propulsores verticais, com isso o veículo possui a capacidade de se movimentar em surge, heave, pitch e yaw.

Simulação hidrodinâmica

O comportamento dos fluidos é pouco intuitivo, tornando muito difícil prever seu impacto em projetos, por isso é muito comum a realização de muitos testes em água a fim de compreender o comportamento do veículo em operação. Mas em virtude da impossibilidade de realização de testes experimentais, a equipe também utilizou o software ANSYS para simular com confiança o comportamento do escoamento de fluidos e analisar com precisão os resultados encontrados.

E como resultado das simulações realizadas foi possível compreender a velocidade, a pressão e a força total de arrasto e com isso determinar a velocidade máxima e de operação do veículo, assim como a tensão necessária para alimentação dos propulsores.

Fonte: Equipe Terra, 2021

Sistema de energia

O sistema de energia teve como maior desafio propor uma solução que permitisse que o veículo possuísse uma boa autonomia sem comprometer o desempenho dos componentes elétricos e de modo a agregar o mínimo de peso possível para a estrutura. Para auxiliar na escolha da solução, os membros desse setor realizaram um levantamento dos componentes do veículo que mais consomem energia do sistema, sendo eles os propulsores e os componentes eletrônicos: Raspberry, Pixhawk e ESCs.

Na sequência analisou-se as especificidades de cada um deles e notou-se que os componentes eletrônicos de modo geral trabalham numa tensão menor que a dos propulsores, dessa forma decidiu-se dividir o sistema de energia em dois circuitos, sendo um para alimentar os propulsores e o outro para alimentar o casulo que abriga os componentes eletrônicos, pois dessa forma seria possível encontrar uma solução de bateria ideal para cada um desses circuitos e não seria necessário utilizar um componente para reduzir a tensão que alimenta os componentes eletrônicos.

Seleção das baterias

A partir dos resultados encontrados na simulação hidrodinâmica foi possível identificar a tensão necessária para alimentar os propulsores de modo que a força de arrasto fosse superada e que o AUVille pudesse navegar com uma velocidade apropriada durante a realização da missão. Desse modo, para cada velocidade simulada no item anterior determinou-se a autonomia do veículo. Das análises foi possível observar que a máxima velocidade do veículo seria 3 knos e que a velocidade de operação ideal seria 2 knos.

Para que o tempo disponível para a realização da missão até o descarregamento completo da bateria fosse adequado, a equipe configurou duas baterias de lithium-ion compostas quimicamente por NCA (níquel, cobalto e alumínio), de modo a atender todos os requisitos do projeto.

A partir disso, ficou estabelecido que a bateria que fornecerá energia para os seis propulsores deverá ser composta por cinco células em série e seis em paralelo (5S6P) e será capaz de fornecer 18 V para os propulsores por aproximadamente 59.1 minutos. Já a bateria que alimentará o casulo que abriga os componentes eletrônicos será composta por duas células em série e sete em paralelo (2S7P) possibilitando o fornecimento de 7.2 V aos componentes eletrônicos com a mesma autonomia da outra bateria.

Essa solução encontrada pela equipe atendeu todos os requisitos e restrições desse atual projeto, fornecendo uma boa autonomia sem impactar na performance do veículo com relação a sua velocidade de operação e peso estrutural.

Sistema de arrefecimento

Atualmente um grande desafio enfrentado em sistemas eletrônicos é o aquecimento de seus componentes em decorrência do acréscimo na intensidade de corrente elétrica proveniente da implementação de novas funções e do funcionamento simultâneo de subsistemas. Aplicando esse contexto ao BlueROV2 operado pela equipe, a conversão deste em um AUV exigiu o desenvolvimento de um novo dispositivo de resfriamento para a unidade de processamento Raspberry instalada, visto que o superaquecimento desta a temperaturas acima de 65 ºC implicava em redução crítica da autonomia do veículo, impedindo a realização das atividades designadas, bem como a redução da vida útil do componente devido ao ciclo térmico de trabalho ao qual era submetido.

Frente a esses problemas, inicialmente realizou-se a análise da capacidade inicial de dissipação do casulo e o levantamento das características desfavoráveis ao arrefecimento do sistema. No qual observou-se que a troca térmica era realizada via convecção livre com o ar dentro do casulo. A baixa condutividade térmica do ar e das paredes poliméricas do casulo, juntamente com a ineficiência da convecção livre na troca de calor implicam em grande resistência térmica entre os componentes eletrônicos e o ambiente externo. Assim, era fundamental à eficácia do projeto que essa resistência fosse reduzida.

A partir disso, foram elencadas algumas restrições e critérios de seleção, sendo eles:

  1. Dificuldade de reposicionamento de componentes e restrição espacial;
  2. Preservação de integridade estrutural e estanqueidade do casulo;
  3. Restrição de recrutamento energético;
  4. Redução de ruído eletromagnético.

Solução do arrefecimento

A partir das restrições do projeto a equipe definiu as características finais do dispositivo de controle térmico a ser implementado no AUV. No qual concluiu-se que sobre o processador Raspberry será montada uma base condutora, aderida via pasta térmica. Desta base, o calor produzido será conduzido por um heat pipe até o dissipador, componente condutor instalado através da parede do casulo. O acoplamento do heat pipe ao dissipador será também feita através de uma base condutora. A interface dessa montagem será preenchida com um adesivo epóxi térmico. Observada a baixa condutividade térmica desse adesivo em relação aos materiais metálicos do conjunto, o ajuste dimensional do acoplamento será tal que, ainda garantido a adesão, minimize a resistência térmica na interface.

A fim de evitar a transferência de calor via convecção natural interna pelo ar na vizinhança dos componentes, toda a superfície do conjunto (bases, heat pipe e dissipador) exposta ao ar interno será enclausurada por um filme isolante. Recobrando a discussão realizada na restrição 2, a eficácia e eficiência do dispositivo estão atreladas à proporção do calor conduzido através do conjunto em relação ao transferido ao ar interno ao casulo.

Visto que o dissipador será montado através da parede da estrutura, existe a preocupação com concentração de tensões e estanqueidade após instalação. A solução encontrada pela equipe então consiste na usinagem de um único furo circular na parede, evitando geometrias com arestas agudas e a montagem do dissipador a partir do tratamento da superfície da interface com um primer e aplicação de um selante polimérico, similar ao utilizado na indústria automotiva na adesão de vidro a componentes metálicos.

Fonte: Terra, 2021
Fonte: Terra, 2021
Fonte: Terra, 2021

Software

O setor de eletrônica é responsável por toda a parte eletroeletrônica do AUV, desde os códigos que são desenvolvidos e adaptados até a escolha dos componentes eletrônicos como placas de circuitos e desenvolvimento de PCI (placa de circuito impressa).

Para o desenvolvimento do código para o AUVille utilizou-se o ROS (sistema de operação robótica) usando como base um repositório disponível no GitHub. A primeira modificação realizada foi para torná-lo autônomo, já que o código original é voltado para um ROV. A comunicação foi estabelecida por um código de emulação de conexão, utilizando os protocolos MAVROS e PyMAVLink, fazendo com que os comandos para execução venham do reconhecimento de imagem e não mais de um controle com conexão externa. Isso evitou a criação de um código especializado (ou A.I) para a tomada de decisões durante a missão, proporcionando uma economia de tempo para refinar o código de controle que temos.

No fluxograma a seguir, o código é apresentado de forma ilustrativa, listando todas suas divisões e módulos:

  1. Verifica se todos os componentes estão operacionais para a missão.
  2. Responsável por reconhecer as formas obtidas pela câmera.
  3. Realiza o processamento simplificado, reconhecendo e reconferindo os resultados.
  4. Código de controle principal, onde os dados são processados.
  5. Analisa os dados coletados para que o sistema tome a melhor decisão.
  6. Executa a ação decidida na etapa anterior e inicia a movimentação do veículo.
  7. Executa o comando utilizando principalmente códigos de controle básicos presentes no pacote padrão.
  8. Ao mesmo tempo, em um módulo separado, chamado de módulo T.A.R.D.I.S, é coletado todas as informações críticas dos sensores e componentes, salvando em um cartão micro SD em formato ".txt" para eventuais estudos de caso e análise gráfica.
  9. Por último, tem-se o Botão S.O.S, responsável pela interrupção da missão a qualquer momento por qualquer pessoa que pressione o botão.
Fonte: Terra, 2021

Simulação no Gazebo

As simulações em ROS foram realizadas no simulador Gazebo, já que dispõe de diversas ferramentas e é o que tem melhor compatibilidade com o ROS. A simulação ocorreu de acordo com o esperado, conseguindo realizar manobras e medir dados dos sensores de forma coerente. Futuramente pretende-se aumentar a complexidade do veículo, integrando o cálculo de distância de obstáculos através da câmera e de um sensor ultrassônico ou DVL.

Fonte: Terra, 2021

Visão Computacional

Para a parte de processamento de imagem, a equipe Terra optou por utilizar a biblioteca OpenCV, com a implementação dos códigos sendo feita na linguagem Python. O código implementado através do OpenCV utiliza métodos padrão desta biblioteca para a detecção do portal da prova, tarefa qualificatória nesta competição. Seu funcionamento se dá a partir da detecção das barras verticais presentes no portal da competição, e da determinação de suas coordenadas. Esta detecção é feita a partir de operações morfológicas do OpenCV, que permitem a detecção de linhas horizontais e verticais em imagens. Assim, com a identificação da coordenada central do portão o AUV consegue identificar a coordenada central do mesmo e a partir disso identificar a coordenada central do personagem escolhido, que para esse projeto foi o policial. No fluxograma é possível compreender melhor como essas etapas foram programadas no código de processamento de imagem da equipe.

Após a determinação das coordenadas do portal e do policial na imagem, esse dado poderá ser enviado ao código de controle do AUV, que realizará o acionamento dos propulsores de acordo com a direção que o veículo deve seguir para passar pelo portal pelo lado previamente definido.

Fonte: Terra, 2021

Simulação da visão computacional

Fonte: Terra, 2021
Fonte: Terra, 2021

Módulo T.A.R.D.I.S

Fonte: Terra, 2021

O projeto de desenvolvimento do AUVille também contou com a elaboração de um módulo destinado a coletar todos os dados dos sensores do AUV individualmente (barômetro, giroscópio, velocidade, bússola, consumo de energia, status dos motores e da câmera) e separá-los em arquivos txt. Assim, a partir dos dados extraídos será possível plotar gráficos para estudo de caso e avaliação do desempenho do sistema. E da análise dessas informações coletadas poderão ser propostas novas soluções e melhorias a serem implementadas no futuro para otimizar ainda mais a performance do veículo.

Sistema de segurança

Pelo fato do AUV se tratar de um veículo que durante a missão realiza as tarefas de maneira autônoma, tem-se a necessidade de implementar um sistema de segurança para o caso de ocorrência de algum imprevisto não considerado previamente na etapa de pré-programação. Nesse contexto, elaborou-se a modelagem de um botão de desligamento do veículo juntamente com um código para desligamento dos propulsores através do acionamento do botão, de modo que o veículo entre em um modo seguro para a sua recuperação e ao mesmo tempo não coloque em risco o mergulhador que se aproximar para realizar o resgate.

Fonte: Terra, 2021

A modelagem do botão foi realizada através do software SolidWorks e buscou-se um design simples e de fácil identificação, mas com a utilização de componentes robustos e confiáveis, a fim de garantir que o acionamento do botão seja feito de maneira rápida e segura. Já o código foi desenvolvido de forma a desativar o funcionamento dos propulsores através da interrupção de energia para esses componentes assim que o botão seja pressionado. Sendo que o sistema propulsivo deve permanecer desativado até que ocorra o resgate do veículo e seja autorizado que o mergulhador pressione novamente o botão para a continuidade da missão.

Descrevendo detalhadamente o funcionamento do botão de desligamento, tem-se que inicialmente assim que o botão é pressionado, imediatamente o sistema é colocado no modo de segurança. Dessa forma, o AUVille suspende a execução da missão e desliga os propulsores. Nesse momento o AUV também foi programado para piscar as 4 luzes de led na qual é equipado de acordo com a sinalização padrão S.O.S, a fim de indicar para o mergulhador que irá efetuar seu resgate que é seguro manusear o equipamento. Por fim, se o botão for novamente pressionado estando no estado de parada total, o sistema irá voltar a operar normalmente e irá sinalizar isso através do funcionamento dos leds de modo totalmente aceso.

Fonte: Terra, 2021

Agradecimentos

A Equipe TERRA gostaria de agradecer a Universidade Federal de Santa Catarina - Campus Joinville e todos seus funcionários que gentilmente foram bastante solícitos, em especial aos docentes Prof. Andrea Piga Carboni, Prof. Lucas Weihmann e Prof. Roberto Simoni. Além disso, gostaríamos de agradecer aos apoiadores que viabilizaram financeiramente nossa participação nessa competição: Ana Maria de Azevedo Pereira, Dulcimara Aparecida Ambrósio de Souza, Eduardo de Bittencourt Ribeiro, Giovanna Ambrósio de Souza, João Melo de Souza, Laura Scarpatto, Leonardo Rodrigues Gabrielli, Luckyan Kanigo, Pedro Ramalho Fadh e Vilson Gatto. Agradecemos também ao programa acadêmico da ESSS - ANSYS que nos possibilitou executar modelagens e simulações de elevada qualidade. Por fim, agradecemos a dedicação e esforço individual de todos os membros da equipe durante todo o desenvolvimento desse projeto.

Apoiadores

  • Ana Maria de Azevedo Pereira
  • Dulcimara Aparecida Ambrósio de Souza
  • Eduardo de Bittencourt Ribeiro
  • Giovanna Ambrósio de Souza
  • João Melo de Souza
  • Laura Scarpatto
  • Leonardo Rodrigues Gabrielli
  • Luckyan Kanigo
  • Pedro Ramalho Fadh
  • Vilson Gatto
Raised Image
Raised Image
Raised Image

    Professores:

  • Andrea Piga Carboni
  • Lucas Weihmann
  • Roberto Simoni
  • Instituição:

  • Universidade Federal de Santa Catarina

    Membros da equipe:

  • Abner Gabriel de Souza
  • Cristian Piehowiak
  • Eduardo de Bittencourt Ribeiro
  • Giovanna Ambrósio de Souza
  • Igor dos Santos Soares Pinto
  • Juliana Pereira Meireles
  • Lucas Eduardo Piana
  • Luiz Guilherme de Oliveira Appel
  • Maria Eduarda Berger Pinheiro
  • Mariana Dias Martins
  • Patricia Mistura Klippel
  • Rafael D Amaro Chiara
  • Thais Cristina Gaino