Mecânica
Para a edição de 2022 da RoboSub, a equipe optou por iniciar o desenvolvimento e realizar uma bateria de testes de conceito para implementação de um sistema de lançamento de torpedo. O princípio de propulsão foi selecionado a partir da análise dos TDRs disponibilizados pelas equipes participantes da ROboSub em edições anteriores. Modelagem & Geometria Externa Considerações Estruturais Sistema de Lançamento Testes de Campo Discussão Conclusões Referências Saghafi, M; Lavimi, R. Optimal design of nose and tail of an autonomous underwater vehicle hull to reduce drag force using numerical simulation. Journal of Engineering for the Maritime Environment, Iran, 2019. Spierings, A.; Schneider, M.; Eggenberger, R. Comparison of density measurement techniques for additive manufactured metallic parts. Rapid Prototyping Journal, vol.17 n.5, Emerald, 2010.
Eletrônica
Nosso maior desafio na competição passada foi estabelecer uma conexão com o Gazebo, sendo assim, este ano, resolvemos migrar para o Unity. Essa ideia surgiu pelo fato da equipe Inspiration ter disponibilizado uma simulação da Transdec no aplicativo, que permitiria que a equipe focasse menos na simulação a fim de otimizar o código de visão e projetar um plano de missão.Com o Unity, conseguimos fazer uma simulação de maior qualidade, além de sermos capazes de simular a quantidade de luz na água, turbidez e muito mais, melhorando a capacidade do AUV. Contudo, apesar das qualidades do aplicativo, encontramos imensas dificuldades para a utilização do mesmo, visto a falta de experiência.Tendo em vista que o setor de eletrônica é dividido entre controle e visão, cada subsetor ficou responsável por um objetivo diferente. Controle Visão
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 Simulações Estruturais Sistema Propulsivo Simulação hidrodinâmica Sistema de energia Seleção das baterias Sistema de arrefecimento Solução arrefecimento Software 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. 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. 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. 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
Baterias
O projeto conta com duas baterias, a Turnigy e a “Battery A”. A Turnigy é uma bateria adquirida com tecnologia de LI-PO (polímero de lítio) com capacidade mínima de 10000mAh e tensão máxima de 14,8V na configuração de 4S1P. A “battery A” é uma bateria montada cujas informações foram cedidas pelo Salviano, possuindo uma tensão média de 12V (com tensão máxima de 16,8V) e capacidade de 12500mAh em uma configuração de 4S5P.As informações obtidas de ambas as baterias, foram compiladas na tabela abaixo: Como as informações da Turnigy foram obtidas pelo datasheet fornecido no site da HobbyKing. Conseguimos obter informações mais detalhadas como o tempo de carga e descarga de acordo com o fabricante. Apenas recordando que: Por fim, “power capacity” faz referência à quantidade de energia armazenada na bateria, este valor é obtido através da multiplicação da corrente [A] e tensão [V].Com as informações das duas baterias e considerando o cenário de que estas baterias realmente possuam e atinjam os valores obtidos na tabela 1, foi criado uma configuração que potencializasse a capacidade fornecida para o sistema, neste caso utilizando-as em paralelo (10A + 12,5A = 22,5A). Reforçando que estamos admitindo que as baterias estejam em bom estado, assim o tempo necessário de descarga (não considerando nenhum percentual de segurança de descarga, que seria um percentual da capacidade que nunca será usado, geralmente 20%) é obtido t = (capacidade [Ah] / corrente [A])*60, para obtermos a resposta em minutos. Apenas para fins de melhor visualização, o gráfico com os dados é apresentado a seguir. Como é de se esperar, a bateria montada em paralelo é descarregada mais rápido conforme há o aumento da corrente. O desafio então é encontrar uma corrente que atenda ao sistema e que o tempo seja suficiente para cumprir o percurso da prova, considerando possíveis imprevistos. Além disso, há um sério agravante com relação ao aumento da temperatura, que pode contribuir para o superaquecimento do AUV. Como não temos dados do fabricante com relação a testes de temperatura em relação à corrente de descarga, uma alternativa seria realizar o nosso próprio teste no laboratório.Conforme levantamento feito para a edição passada, os componentes que demandam energia do sistema eram: Os valores de quantidade de componentes necessários no AUV, tensão, corrente e potência foram retirados dos datasheets disponíveis no site Blue Robotics e estes valores também estão disponíveis na aba “Demanda_sistema”.Com os dados compilados, notamos que há um range de tensão (6V-16V) entre os componentes que pode prejudicar a operação dos sistema, além da alternativa de inserir todos os componentes em uma mesmo casulo e inserir um dispositivo que não afeta os componentes que precisam de baixa tensão, foi proposto uma alternativa de um segundo casulo. Os dados obtidos, fazem referência à quantidade de corrente e potência que o sistema demandará para operação, logo é um parâmetro para que a bateria consiga garantir o fornecimento para o sistema completo.Falando dos propulsores, foi considerado que eles operassem à 2 nós e com 1,61 Kg f, as informações de corrente, potência, RPM e eficiência de acordo a tensão, pode ser encontrada no arquivo em excel “T200-Public-Performance-Data-10-20V-September-2019” nos anexos mas o compilado das informações estão a seguir. Conseguimos observar que há um trade-off interessante para nosso objetivo, no qual o propulsor consegue fornecer uma maior potência com uma corrente menor. Considerando o cenário de que todos os componentes estejam em apenas um casulo, e que os valores de tensão, corrente e potência requeridos pelo sistema estejam de acordo com o discutido anteriormente com os componentes listados acima, obtemos os seguintes dados: A informação do percentual de operação do sistema a 100%, por exemplo, considera que os componentes estarão operando em sua capacidade máxima em todo tempo de operação.Assim, conseguimos uma estimativa do tempo de operação da bateria para suprir a necessidade do sistema considerando alguns cenários de operação dos componentes.
Conclusões
Os testes evidenciaram a ineficácia do sistema proposto no cumprimento da tarefa. A equipe interpreta que a implementação de soluções para a melhoria do sistema avaliado é ineficiente. As novas diretrizes discutidas pela equipe após os testes apontam para a criação de um torpedo autopropelido, bem como a inclusão de estabilizadores ao longo da geometria externa.
Discussão
Durante os ensaios foram observados os seguintes problemas: O arrasto imposto ao torpedo dissipa rapidamente a energia cinética cedida a ele durante o lançamento. Dificuldade de manutenção de estanqueidade do sistema. Parte do fluido de trabalho escoa entre o torpedo e a parede interna do tubo-guia. Este problema persistiu mesmo após tentativa de ajuste do diâmetro externo dos torpedos. O recuo ocasionado pela ejeção da água que se acumula na porção do tubo guia à vante da ogiva pode ser deletério para a navegação e posicionamento do AUV após lançamento. É desejável que o trabalho realizado sobre o torpedo seja executado de maneira mais gradual.
Testes de Campo
SetupApós montagem e pressurização do sistema, foram realizados lançamentos para estabelecer uma correlação Pressão Inicial – Velocidade de Saída – Alcance para as geometrias disponíveis.Foram avaliados lançamentos às pressões de 20, 40, 60, 80 e psi para os protótipos existentes. Resultados O alcance efetivo para todas as geometrias mostrou-se extremamente reduzido (~0.3 m), pouco sensível à variação da pressão interna do cilindro. O curto alcance inviabilizou a possibilidade de avaliação de desvio de trajetória proposta inicialmente.
Sistema de Lançamento
A proposta inicial consiste em avaliar a eficácia dos torpedos via ejeção por ar comprimido. O objetivo dos testes é coletar informações relevantes para o desenvolvimento contínuo do conjunto lançador-projétil. Foram gerados pela equipe protocolos de ensaio que permitissem a avaliação do alcance e estabilidade direcional do torpedo, juntamente com a exposição de problemas técnicos não previstos em etapas anteriores do projeto.O sistema pneumático utilizado para o lançamento é composto de um reservatório para o fluido de trabalho (ar atmosférico), uma válvula e um tubo-guia. Pressurização e disparo foram executados manualmente. Essa foi a forma mais simples e economicamente eficiente encontrada para contornar os problemas que envolvem controle eletrônico de válvula, permitindo a reprodutibilidade da velocidade de saída através do controle da pressão interna do reservatório, grandeza facilmente mensurável durante os ensaios.
Considerações Estruturais
MateriaisOs protótipos foram obtidos a partir de métodos convencionais de manufatura aditiva (impressão 3D) em PETG, termoplástico mais denso que o fluido do tanque de ensaio (água doce). Visto a exposição da estrutura a ambiente subaquático, é desejado que a higroscopia seja minimizada. Estrutura Interna e LastreamentoA fim de manter inalterada a geometria externa proposta em literatura, o ajuste de flutuabilidade e convergência das coordenadas longitudinais dos centros de massa e de flutuação para evitar rotação em flutuação livre foi feita através do posicionamento de uma cavidade no interior da geometria (ver fluxograma da figura NÚMERO). As dimensões características da cavidade são dependentes da densidade do material selecionado. Ante a impressão dos torpedos, a densidade pós-impressão foi verificada pelo método de Archimedes, como descrito por Spierings, Schneider, Eggenberger (2011). A partir dessa medida as geometrias finais foram geradas.
