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UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
GISELE CRISTINA DE SANTANA
RAFAEL LIMA
ROBÔ BATIMÉTRICO
Trabalho de Conclusão de Curso
Professor Amarildo Geraldo Reichel
Orientador
Curitiba, Setembro de 2011.
UNIVERSIDADE POSITIVO Reitor: José Pio Martins Vice-Reitor: Arno Antonio Gnoatto Pró-Reitor Acadêmico: Profa. Márcia Sebastiani Coordenador do Curso de Engenharia da Computação: Prof. Leandro H. Souza
Termo de Aprovação
GISELE CRISTINA DE SANTANA
RAFAEL LIMA
ROBÔ BATIMÉTRICO
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso Engenharia da
Computação da Universidade Positivo, pela seguinte banca examinadora:
Prof. Amarildo Geraldo Reichel (Orientador)
Prof. José Carlos da Cunha (Membro)
Prof. Maurício Perretto (Membro)
Curitiba, Outubro de 2011.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus, por ter provido a vida.
Agradecemos a todos que nos apoiaram e que nos motivaram a fazer este trabalho de
conclusão de curso.
Agradecemos a aqueles que aguentaram por quatro ou cinco anos nosso afastamento de
suas vidas.
Agradecemos também a aqueles que acreditaram no nosso potencial e aquele que nos
orientou até o final do trabalho de conclusão de curso.
RESUMO
O projeto consiste no desenvolvimento de um módulo robótico aquático com o
objetivo de mapear fundo de lagos e represas de forma remota. A aquisição dos dados da
profundidade é realizada por um sonar, a identificação de cada local medido é feita por um
módulo DGPS que fornece as coordenadas de latitude e longitude, e para a comunicação entre
o robô e o computador utiliza-se uma rede sem fio. O aplicativo ViewBot desenvolvido, faz a
interface do módulo robótico com o usuário e é responsável pelo controle e gerenciamento do
módulo robótico. Com os dados de latitude, longitude e profundidade de cada ponto de coleta
de um lago ou represa, o ViewBot também é capaz de plotar um gráfico tridimensional que
representa o fundo do lago.
O projeto pode melhorar a técnica de batimetria e facilitar serviços como: dragagens
de leitos de rios, instalação de dutos submersos e estudos hidrológicos (detecção de erosão
submersa, medição de profundidade e mapeamento de leito).
Palavras-Chave: módulo robótico aquático, batimetria, sonar, robô batimétrico
ABSTRACT
The goal of project is the development of an aquatic robotic module, its objective is to
map bottom of lakes and reservoirs remotely. The depth data acquisition is performed by
sonar, the localization of each place is measured by DGPS module that provides the
coordinates of latitude and longitude, and the communication between the robot and the
computer uses a wireless network. The ViewBot application developed performs the interface
between robotic module and the user and is responsible for control and management of the
robotic module. With the data of latitude, longitude and depth of each collection point of a
lake or reservoir, the ViewBot is also able to plot a three-dimensional graph that represents the
lake bottom.
The project could improve the technique of bathymetry and facilitate services such as
dredging of river beds, underwater pipeline installation, hydrologic studies (detection of
underwater erosion, depth measurement and mapping of riverbed).
Keywords: aquatic robotic module, bathymetry, sonar, robot bathymetry
SUMÁRIO
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ 9
LISTA DE TABELAS ............................................................................................................. 10
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .............................................................................. 11
1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 13
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................. 14
2.1. Batimetria ........................................................................................................... 14
2.1.1. Origem da batimetria .......................................................................................... 15
2.1.2. Ecobatímetros ..................................................................................................... 15
2.1.3. Aplicações .......................................................................................................... 16
2.2. Sonar ................................................................................................................... 16
2.2.1. Ultrassom ............................................................................................................ 16
2.2.2. Efeito Doppler .................................................................................................... 18
2.3. GPS ..................................................................................................................... 19
2.3.1. Funcionamento ................................................................................................... 20
2.3.2. Protocolo NMEA0183 ........................................................................................ 21
2.4. Comunicação sem fio ......................................................................................... 22
2.4.1. Comunicação serial............................................................................................. 23
2.5. Microcontrolador ................................................................................................ 23
2.5.1. Microcontroladores PIC da família 16F ............................................................. 23
2.5.1.1. Periféricos e recursos .......................................................................................... 24
2.5.1.1.1. Conversor A/D .................................................................................................... 24
2.5.1.1.2. USART ............................................................................................................... 25
2.5.1.1.3. Controladores PWM ........................................................................................... 25
2.5.1.1.4. Interrupções externas .......................................................................................... 26
2.5.1.1.5. Timers ................................................................................................................. 26
3. TRABALHOS RELACIONADOS ........................................................................... 27
3.1. Mapeamento de ambientes escuros usando módulo robótico terrestre com ultra-som ............................................................................................................................ 27
3.2. Ecobatímetro – sistema de medição de profundidade ........................................ 27
3.3. Estudos batimétricos dos lagos dos principais parques da cidade de Curitiba – Paraná ............................................................................................................................ 28
4. ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA .................................................................................. 29
4.1. Visão Geral do Projeto ....................................................................................... 29
4.2. Hardware ............................................................................................................ 30
4.2.1. DGPS .................................................................................................................. 30
4.2.2. Sonar ................................................................................................................... 31
4.2.3. Ponte H (L298) ................................................................................................... 31
4.2.4. Motores ............................................................................................................... 32
4.2.5. Comunicação sem fio ......................................................................................... 33
4.2.6. Microcontroladores ............................................................................................. 34
4.2.7. Conversor de nível de tensão .............................................................................. 35
4.2.8. Alimentação ........................................................................................................ 35
4.2.8.1. Baterias ............................................................................................................... 35
4.2.8.2. Reguladores de tensão ........................................................................................ 37
4.2.8.3. Módulo de acoplamento do Xbee-Pro ................................................................ 37
4.3. Software .............................................................................................................. 37
4.3.1. Programa do computador.................................................................................... 37
4.3.1.1. Linguagem de programação C# .......................................................................... 38
4.3.1.2. Linguagem de programação WPF ...................................................................... 38
4.3.1.3. Banco de dados SQL Server ............................................................................... 38
4.3.1.4. Protocolo de comunicação .................................................................................. 38
4.3.2. Programa embarcado (Firmware) ....................................................................... 39
4.3.2.1. PCWHD Compiler .............................................................................................. 40
4.3.2.2. IC Prog Prototype Programmer .......................................................................... 40
5. DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO ..................................................... 41
5.1. Hardware ............................................................................................................ 41
5.1.1. Motores ............................................................................................................... 42
5.1.2. Drive de potência ................................................................................................ 43
5.1.3. Microcontrolador de controle PWM................................................................... 44
5.1.3.1. Firmware do microcontrolador de controle PWM ............................................. 46
5.1.4. Módulo DGPS .................................................................................................... 47
5.1.4.1. Configuração ...................................................................................................... 48
5.1.4.2. Implementação.................................................................................................... 48
5.1.5. Módulo de comunicação ..................................................................................... 49
5.1.6. Módulo de conversão de nível ............................................................................ 49
5.1.7. Sonar ................................................................................................................... 50
5.1.8. Microcontrolador de gerenciamento ................................................................... 53
5.1.8.1. Firmware do microcontrolador de gerenciamento ............................................. 55
5.1.8.1.1. Solicitação da profundidade ............................................................................... 57
5.1.8.1.2. Solicitação da localidade .................................................................................... 58
5.1.8.1.3. Solicitação de corrente dos motores ................................................................... 59
5.1.9. Alimentação ........................................................................................................ 60
5.1.10. Montagem do Protótipo ...................................................................................... 60
5.1.10.1. Dimensões do barco ........................................................................................... 61
5.2. Software .............................................................................................................. 62
5.2.1. Casos de uso ....................................................................................................... 63
6. VALIDAÇÃO E RESULTADOS ............................................................................. 69
6.1. Testes de validação ............................................................................................. 70
6.1.1. Teste do sonar ..................................................................................................... 70
6.1.1.1. Erros de leitura de profundidade ........................................................................ 71
6.1.2. Teste do módulo de comunicação sem fio (Xbee) ............................................. 72
6.1.3. Teste do módulo DGPS ...................................................................................... 72
6.1.4. Teste de exaustão ................................................................................................ 72
6.1.5. Teste de funcionamento ...................................................................................... 73
7. CONCLUSÃO ........................................................................................................... 75
8. REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 76
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 - EXEMPLO DE BATIMETRIA .................................................................................................... 14 FIGURA 2.2 - ECOBATÍMETRO COMERCIAL ............................................................................................... 16 FIGURA 2.3 - FAIXA DE FREQUÊNCIA AUDÍVEL PELO SER HUMANO.................................................. 17 FIGURA 2.4 - MATERIAL PIEZOELÉTRICO GERANDO CARGAS ELÉTRICAS ....................................... 17 FIGURA 2.5 - MATERIAL PIEZOELÉTRICO SOFRENDO DEFORMAÇÃO MECÂNICA .......................... 18 FIGURA 2.6 - EXEMPLO DA OCORRÊNCIA DE EFEITO DOPPLER ........................................................... 19 FIGURA 2.7- CORRELAÇÃO DOS SATÉLITES DE GPS EM ÓRBITA EM TORNO DA TERRA ............... 20 FIGURA 2.8 - DIAGRAMA EM BLOCOS DE UM RADIOENLACE ENTRE DOIS PONTOS. ..................... 22 FIGURA 4.1 – DIAGRAMA GERAL DO PROJETO ......................................................................................... 29 FIGURA 4.2 - MÓDULO DGPS .......................................................................................................................... 30 FIGURA 4.3 - SONAR D11S DA HAWKEYE ................................................................................................... 31 FIGURA 4.4 - CIRCUITO INTEGRADO L298 .................................................................................................. 32 FIGURA 4.5 - MÓDULO XBEE-PRO ................................................................................................................. 33 FIGURA 4.6 – ADAPTADOR USB PARA XBEE-PRO ..................................................................................... 34 FIGURA 4.7 - CONVERSOR DE NÍVEL............................................................................................................ 35 FIGURA 4.8 - CURVA DE DESCARGA DA BATERIA UP613 ....................................................................... 36 FIGURA 4.9 - CURVA DE DESCARGA DA BATERIA UP645 ....................................................................... 36 FIGURA 4.10 - MÓDULO DE ACOPLAMENTO DO XBEE-PRO ................................................................... 37 FIGURA 5.1 - DIAGRAMA EM BLOCOS DO SISTEMA ................................................................................. 42 FIGURA 5.2 - DISPOSIÇÃO FÍSICA DOS ATUADORES DO PROTÓTIPO. ................................................. 43 FIGURA 5.3 - CIRCUITO DE POTÊNCIA ......................................................................................................... 44 FIGURA 5.4 - CIRCUITO MICROCONTROLADOR DE CONTROLE PWM ................................................. 45 FIGURA 5.5– FLUXOGRAMA DO MICROCONTROLADOR DE CONTROLE PWM ................................. 46 FIGURA 5.6 – CONECTORES PARA ACOPLAMENTO DO MÓDULO DGPS ............................................. 48 FIGURA 5.7 - CONECTOR PARA O ENCAIXE DO MODO DE ACOPLAMENTO XBEE. ......................... 49 FIGURA 5.8 - CONECTOR CONVERSOR DE NÍVEL. .................................................................................... 50 FIGURA 5.9 - DIAGRAMA EM BLOCOS DO SONAR .................................................................................... 50 FIGURA 5.10 - SECÇÃO DO CABO DO SONAR. ............................................................................................ 51 FIGURA 5.11 - FUNCIONAMENTO DO SONAR ............................................................................................. 52 FIGURA 5.12 - MODO DE INSTALAÇÃO DO TRANSDUTOR DO SONAR .............................................. 52 FIGURA 5.13 - ÂNGULO DE INSTALAÇÃO DO TRANSDUTOR ................................................................. 53 FIGURA 5.14 - CIRCUITO DO MICROCONTROLADOR DE GERENCIAMENTO ...................................... 54 FIGURA 5.15 - CIRCUITO LIGA E DESLIGA GPS E SONAR ........................................................................ 55 FIGURA 5.16 - FLUXOGRAMA DO MICROCONTROLADOR DE GERENCIAMENTO. ............................ 56 FIGURA 5.17 - ESTOURO DO TIMER0 ............................................................................................................ 58 FIGURA 5.18 - ESQUEMÁTICO DAS BATERIAS. .......................................................................................... 60 FIGURA 5.19 - DISPOSIÇÃO DOS COMPONENTES NA EMBARCAÇÃO. ................................................. 61 FIGURA 5.20 – DIMENSÃO DA EMBARCAÇÃO ........................................................................................... 61 FIGURA 5.21 - PLACA DE CONTROLE EM 3D............................................................................................... 62 FIGURA 5.22 - CASOS DE USO DA TELA DE CONEXÃO ............................................................................ 63 FIGURA 5.23 - TELA DE CONEXÃO ................................................................................................................ 64 FIGURA 5.24 - CASOS DE USO DA TELA DE MONITORAMENTO E CONTROLE................................... 64 FIGURA 5.25 - TELA DE MONITORAMENTO E CONTROLE ...................................................................... 65 FIGURA 5.26 - CASOS DE USO DA TELA DE CADASTRO DE NOVO LOCAL DE TRABALHO ............ 66 FIGURA 5.27 - TELA DE CADASTRO DE MAPAS ......................................................................................... 66 FIGURA 5.28 - CASOS DE USO DA TELA DE GRAVAÇÃO DOS DADOS.................................................. 67 FIGURA 5.29 - TELA DE CONFIGURAÇÃO DE COLETA ............................................................................. 67 FIGURA 5.30 - CASOS DE USO DA TELA DE PLOTAGEM DO GRÁFICO ................................................. 68 FIGURA 5.31 - TELA DE PLOTAGEM DE DADOS. ........................................................................................ 68 FIGURA 6.1 - PROTÓTIPO EM FUNCIONAMENTO ...................................................................................... 69 FIGURA 6.2 - TESTE SONAR ............................................................................................................................ 70 FIGURA 6.3 - TRAÇADO DO PROTÓTIPO DURANTE COLETA DE PROFUNDIDADES ......................... 73 FIGURA 6.4 - SUPERFÍCIE GERADA PELO VIEWBOT ................................................................................. 73 FIGURA 6.5 - SUPERFÍCIE GERADA PELO MICROSOFT EXCEL ............................................................... 74
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - MENSAGEM GPGGA DO PROTOCOLO NMEA0183 ............................................................... 21 TABELA 2 - TAXA DE TRANSMISSÃO EM MODO ASSÍNCRONO EM BPS ............................................. 25 TABELA 3 - ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DO MÓDULO DGPS .................................................................... 30 TABELA 4 - ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DA L298 .................................................................................... 32 TABELA 5 - ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DO XBEE-PRO ............................................................................. 33 TABELA 6 - CARACTERÍSTICAS DO PIC16F877A E DO PIC16F873A ....................................................... 34 TABELA 7 - CARACTERÍSTICAS DA BATERIAS UP613 E UP645 .............................................................. 36 TABELA 8 - MENSAGEM PC PARA O BARCO .............................................................................................. 39 TABELA 9 - MENSAGENS ENVIADAS DO BARCO PARA O PC ................................................................. 39 TABELA 10 - TABELA DE CONSUMO ............................................................................................................ 72
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
2D Duas dimensões
3D Três dimensões
A Ampère
A/D Analógico/Digital
ASCII American Standard Code for Information Interchange
bps bits por segundo
BRG Baud Rate Generator
CPU Central Processing Unit
DC Corrente contínua
DGPS Differential Global Positioning System
EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory
F Faraday
G Giga
GPS Global Positioning System
HEX Hexadecimal
Hz Hertz
I/O Input/Output
k Quilo
LED Light Emitting Diode
LVTTL Low Voltage Transistor-Transistor Logic
m Metros
m mili
M Mega
NMEA National Marine Electronics Association
p pico
PC Personal Computer
PIC Peripheral Interface Controller
PWM Pulse-Width Modulation
RF Radio Frequency
RISC Reduced instruction set computing
RX Receptor
s segundos
SMA Sub Miniature version A
SONAR SOund Navigation And Ranking
TTL Transistor-Transistor Logic
TX Transmissor
USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter
USB Universal Serial Bus
V Volts
VCC Tensão de alimentação positiva
XAML eXtensible Application Markup Language
W Watts
13
1. INTRODUÇÃO
Conforme (PEREIRA, 2008), houve um aumento no interresse ambiental no estudo
de impacto de áreas submersas, particularmente em áreas costeiras, onde é notável o
crescimento da ocupação. São inúmeros projetos para implantação de dutos submarinos,
portos, plataformas de extração de material de construção, barragens, túneis, pontes,
ilhas artificiais, entre outros. Para tais aplicações é utilizada a técnica de batimetria, que
é a ciência para determinação e representação gráfica do relevo de fundo de áreas
submersas. Com tudo, para tal prática são utlizadas uma ou duas embarcações, sendo
que a maior delas deve carregar os equipamentos utilizados para a medição e no mínimo
dois tripulantes, enquanto a outra embarcação serve de apoio com pessoal e
equipamentos.
Como a batimetria é uma atividade cara e complexa, por necessitar de equipamentos
específicos e de pessoal especializado, então para facilitar e agilizar ensaios geofísicos
sobre a lâmina d’água, desenvolveu-se um robô pequeno, controlado por um único
operador por meio de um computador, capaz de realizar a batimetria de lagos e represas
de forma mais barata e menos complexa. O robô é composto basicamente por um sonar,
responsável por determinar a profundidade, um DGPS ( para informar as coordenadas
geográficas) e um módulo de comunicação sem fio para realizar a troca de informações
entre o robô e o computador.
14
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo serão apresentados os principais conceitos e tecnologias importantes
que facilitam o entendimento do projeto.
2.1. Batimetria
Pereira define a batimetria como “a ciência para determinação e representação
gráfica do relevo de fundo de áreas submersas (mares, lagos, rios). É expressa
cartograficamente por curvas batimétricas que unem pontos da mesma profundidade, à
semelhança das topográficas” (PEREIRA, 2008)
A figura 2.1 mostra um exemplo de batimetria do rio Uruguai.
Figura 2.1 - Exemplo de batimetria Fonte: PLANALSERVICOS, 2010
15
2.1.1. Origem da batimetria
De acordo com (BOLUFER, 2007), o início científico foi a expedição do
H.M.S.Challenger, nos anos de 1872 a 1876, a qual caracterizou o fundo oceânico, em
uma travessia de 98.000 milhas pelos oceanos, exceto o Ártico, efetuando sondagens e
dragagens. A expedição transportava 144 milhas de corda, para efetuar as medições.
Um segundo impulso, para o desenvolvimento da batimetria, foi a tragédia do
Titanic em 1912. Em 1914 o canadense R. Fessenden construiu um equipamento que
podia detectar um iceberg a duas milhas de distância, porém era incapaz de determinar
em que direção se encontrava (BOLUFER, 2007).
Logo vieram as duas guerras mundiais de 1914 e 1939, as quais usaram
intensamente o som, a camada marinha da termoclina (a segunda camada oceânica
situada entre 200m a 1000m abaixo da superfície) e a cartografia oceânica, para
desenvolver a guerra submarina. Neste período aparece o SONAR (SOund Navigation
And Ranking) (BOLUFER, 2007).
2.1.2. Ecobatímetros
Os ecobatímetros são os equipamentos utilizados pela Batimetria para medir a
profundidade utilizando ondas de radar. O equipamento consiste em uma fonte emissora
de sinais acústicos e um relógio interno que mede o intervalo entre o momento da
emissão do sinal e o instante em que o eco retorna ao sensor. O som é captado pelo
transdutor que consiste basicamente de um material piezoelétrico que converte as ondas
de retorno do eco em sinais elétricos. Os ecobatímetros fornecem informações pontuais
de profundidade no local imediatamente abaixo do transdutor, ou seja, indica a distância
vertical entre o casco do barco, onde está instalado o sensor, e o piso aquático
(PEREIRA, 2008).
A figura 2.2 mostra um ecobatímetro comercial da marca Fish Finders.
16
Figura 2.2 - Ecobatímetro comercial Fonte: FISHFINDERSDIRECT, 2011
2.1.3. Aplicações
Algumas aplicações da batimetria: apoio a dragagens de leitos, instalação de dutos
submersos, portos, plataformas de extração de material de construção, barragens, túneis,
pontes, ilhas artificiais, estudos hidrológicos (detecção de erosão submersa, medição de
profundidade e mapeamento de leito), estudos arqueológicos submarinos (detecção de
carcaças, edificações submersos), perfurações, entre outros (PEREIRA, 2008).
2.2. Sonar
Sonar é um sistema que usa transmissão e reflexão de ondas sonoras (ultrassons)
submarinas para detectar e localizar objetos submersos ou medir as distâncias debaixo
d'água. Ele tem sido usado para a detecção de submarinos e minas, detecção de
profundidade, pesca comercial, a segurança do mergulho e da comunicação no mar
(SONAR, 2009).
2.2.1. Ultrassom
A faixa audível para um ser humano normal encontra-se no intervalo de frequência
que varia de 20 Hz a 20000 Hz (20 kHz) aproximadamente. Abaixo deste intervalo, o
17
sinal é denominado infrassom e acima dele, ultrassom, conforme mostrado na figura 2.3
(BRANDOLIM, 2007).
Figura 2.3 - Faixa de frequência audível pelo ser humano Fonte: BRANDOLIM, 2007.
As ondas de ultra-som são geradas por transdutores ultra-sônicos. Um transdutor, de
forma geral, é um dispositivo que converte um tipo de energia em outro, portanto, o
transdutor ultra-sônico converte energia elétrica em energia mecânica e vice-versa.
Esses transdutores são constituídos a partir de materiais que apresentam efeitos
piezoelétricos (BRANDOLIM, 2007).
O efeito piezoelétricos foi descoberto por Pierre e Jacques Curie em 1880 e consiste
na variação das dimensões físicas (causadas por pressões acústicas) de certos cristais,
tais como o quartzo, turmalina e cristais naturais (BRANDOLIM, 2007).
Materiais denominados piezoelétricos são aqueles que, quando submetidos a uma
deformação mecânica, geram cargas elétricas que aparecem em suas faces, conforme a
figura 2.4. Da mesma forma, se esses materiais forem submetidos a uma tensão elétrica,
eles sofrem uma deformação mecânica, ou seja, podem curvar-se, alongar-se ou mudar
sua espessura, conforme a figura 2.5 (BRANDOLIM, 2007).
Figura 2.4 - Material piezoelétrico gerando cargas elétricas Fonte: PEB, 2011
18
Figura 2.5 - Material piezoelétrico sofrendo deformação mecânica Fonte: PEB, 2011
2.2.2. Efeito Doppler
O conhecimento dos fenômenos ondulatórios que ocorrem na natureza permitiu o
desenvolvimento de uma vasta gama de tecnologias aplicáveis a quase todas as
atividades humanas. Em particular, a descoberta do Efeito Doppler permitiu um avanço
bastante significativo no desenvolvimento de novas técnicas de medição com ultra-som.
Efeito Doppler é a mudança na frequência aparente de uma onda quando esta é
emitida ou refletida por um objeto que se encontra em movimento em relação ao
observador. No caso de o objeto estar se aproximando do observador, as ondas o
alcançarão mais rapidamente aumentando assim a frequência recebida. Caso contrário,
se o objeto estiver se afastando do observador a frequência recebida diminui. Este
fenômeno foi descrito teoricamente pela primeira vez em 1842 pelo físico austríaco
Johann Christian Andreas Doppler e comprovado pelo cientista alemão Christoph B.
Ballot em 1845 em um experimento com ondas sonoras (BRANDOLIM, 2007).
Um exemplo deste efeito pode ser visto na figura 2.6, na qual a fonte de ondas se
locomove para a esquerda. É possível observar que a frequência é menor no lado direito
da imagem (do qual a fonte está se afastando) e maior no lado esquerdo (do qual a fonte
está se aproximando).
19
Figura 2.6 - Exemplo da ocorrência de Efeito Doppler Fonte: BRANDOLIM, 2007.
2.3. GPS
O GPS é um sistema de posicionamento geográfico que identifica as coordenadas de
um lugar na Terra. Este sistema foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa
Americano para ser utilizado com fins civis e militares.
Uma determinada posição sobre a Terra é referenciada em relação à linha do
equador e ao meridiano de Greenwich e traduz-se por três números: a latitude, a
longitude e a altitude.
Atualmente é possível utilizar um sistema de posicionamento global devido à
utilização dos satélites artificiais. São ao todo 24 satélites que dão uma volta à Terra a
cada 12 horas e que enviam continuamente sinais de rádio. Em cada ponto da Terra
estão sempre visíveis quatro satélites e com os diferentes sinais desses quatro satélites o
receptor GPS calcula a latitude, longitude e altitude do lugar onde se encontra (SOUZA,
2010).
20
Figura 2.7- Correlação dos satélites de GPS em órbita em torno da Terra Fonte: GPSCENTER, 2007
O GPS foi originalmente planejado para aplicações militares, mas nos anos oitenta,
o governo fez o sistema disponível para o uso civil. O GPS trabalha em qualquer
condição de tempo, em qualquer lugar do mundo, 24 horas por dia, e não é cobrada
nenhuma taxa para se usar o GPS. (SOUZA, 2010)
2.3.1. Funcionamento
Satélites de GPS circundam a Terra duas vezes por dia em uma órbita muito precisa,
transmitindo informações precisas para a Terra. Receptores de GPS recebem esta
informação e efetuam a triangulação, para calcular o local exato do usuário.
Essencialmente, o receptor GPS compara o tempo em que um sinal foi transmitido
por um satélite, com o tempo que foi recebido. A diferença de tempo é transmitida para
o receptor de GPS, indicando o quão longe o satélite está.
Um receptor de GPS deve receber um sinal de pelo menos três satélites, para
calcular uma posição 2D (latitude e longitude). Com quatro ou mais satélites visíveis, o
receptor pode determinar a posição 3D do usuário (latitude, longitude e altitude)
(SOUZA, 2010).
O sistema DGPS (do inglês, Differential GPS) é um sistema auxiliar baseado em
terra e que permite ao GPS de navegação melhorar sua acurácia de posição. Seu
funcionamento se baseia no fato de que, numa região relativamente pequena e num
mesmo instante de tempo, a diferença entre as coordenadas indicadas pelo GPS para
uma posição qualquer e as coordenadas reais desta mesma posição tende a ser
relativamente constante (FRIEDMANN, 2008).
21
2.3.2. Protocolo NMEA0183
O protocolo NMEA0183 foi instituído pela National Marine Electronics Association
para padronizar as mensagens utilizadas em embarcações. Todas as mensagens NMEA
são caracteres ASCII (de 20 a 127 decimal ou HEX 17 ate 7E). As mensagens
obedecem ao seguinte padrão:
$GP<identificador da mensagem><dados><*checksun><CR><LF>
Um exemplo de mensagem do protocolo NMEA é a mensagem GPGGA e pode ser
interpretada conforme a tabela1:
Tabela 1 - Mensagem GPGGA do protocolo NMEA0183 $GPGGA,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy.yy,b,x,nn,h.h,a.a,M,x.x,M,t.t,iiii*00
hhmmss.ss horário na posição llll.ll latitude da posição A N ou S yyyyy.yy longitude da posição B E ou W X GPS indicador de qualidade (0=nenhum, 1=GPS, 2=DGPS) Nn número de satélites em uso h.h diluição horizontal da precisão a.a altitude da antena acima do nivel mar M unidade de medida da altitude da antena, metros x.x separação geiodal M unidade de medida da separação geiodal, metros t.t tempo decorrido desde a última atualização do DGPS em segundos iiii identificador da estação de referência do DGPS
00 checksum, utilizado pelo programa para verificar se há erros de transmissão
Fonte: APRS, 2001
A seguir um exemplo da mensagem GPGGA do protocolo NMEA0183:
$GPGGA,164111.486,2526.2653,S,04921.1640,W,1,05,2.3,951.5,M,1.3,M,,0000*69
22
2.4. Comunicação sem fio
Comunicação sem fio é a transferência de informações sem a utilização de cabos. A
técnica de rádio comunicação é utilizada para propiciar comunicação por intermédio da
transmissão de informações previamente codificadas em sinal eletromagnético que se
propaga através do espaço (GOLDSMITH,2005).
O rádio transmissor é um dispositivo eletrônico gerador de onda alternada senoidal
numa certa frequência, que alimenta a antena (MEDEIROS,2007).
A antena é feita de um condutor metálico e tem como finalidade converter a corrente
elétrica em energia radiante (onda eletromagnética), realizando o processo inverso na
recepção do sinal. As ondas de rádio podem ser geradas em qualquer frequência,
entretanto em telecomunicações são mais utilizadas ondas acima de 100 kHz
(MEDEIROS, 2007).
A onda irradiada pela antena transmissora vai perdendo potência ao longo do
percurso no espaço livre e se contamina com ruído elétrico, sempre presente no canal de
comunicação (MEDEIROS, 2007).
Resumidamente, o enlace de comunicação se desenvolve entre as antenas: A
transmissora localizada em A e a receptora, localizada em B, conforme mostrado na
figura 2.8. O meio físico entre antenas é denominado de espaço físico (MEDEIROS,
2007).
Figura 2.8 - Diagrama em blocos de um radioenlace entre dois pontos. Fonte: MEDEIROS ,2007.
23
2.4.1. Comunicação serial
Como a comunicação sem fio apresenta apenas uma via de comunicação, foi
necessária a implementação de técnicas de comunicação serial, que é o processo de
enviar dados bit a bit, sequencialmente, no canal de comunicação.
A maioria das mensagens digitais são mais longas que alguns poucos bits. Por ser
inviável transferir todos os bits de uma mensagem simultaneamente, a mensagem é
quebrada em partes menores e transmitida sequencialmente. A transmissão bit-serial
converte a mensagem em um bit por vez através de um canal. Cada bit representa uma
parte da mensagem. Os bits individuais são então rearranjados no destino para compor a
mensagem original. Em geral, um canal irá passar apenas um bit por vez. A transmissão
bit-serial é normalmente chamada de transmissão serial, e é o método de comunicação
escolhido por diversos periféricos de computadores (CANZIAN, 2011).
2.5. Microcontrolador
Um microcontrolador pode ser definido como um sistema computacional completo,
no qual estão incluídos uma CPU (Central Processor Unit), memória de dados e
programa, um sistema de clock, portas de I/O (Input/Output), além de outros possíveis
periféricos, tais como, módulos de temporização e conversores A/D entre outros,
integrados em um mesmo componente. (DALLAZEN, 2009)
2.5.1. Microcontroladores PIC da família 16F
Os microcontroladores PIC (Peripheral Integrated Controller) são de uma família
de microcontroladores fabricados pela Microchip Technology, que processam dados de
8, de 16 e mais recentemente de 32 bits. O PIC possui extensa variedade de modelos e
periféricos internos, com arquitetura Harvard e conjunto de instruções RISC (conjuntos
de 35 instruções e de 76 instruções), com recursos de programação por memória flash e
EEPROM (DALLAZEN, 2009).
24
2.5.1.1. Periféricos e recursos
Uma das principais características dos microcontroladores PIC é a grande
quantidade de periféricos integrados ao mesmo chip, isso faz com que seu uso seja cada
vez mais ocorrente. Nesse tópico serão apresentados os recursos utilizados e um breve
comentário sobre cada um deles. A seguir estarão listados os periféricos utilizados
neste projeto.
Conversor A/D;
USART;
Controladores PWM (Controle por largura de Pulso);
Modo CPP (Modo capture);
Interrupções externas;
Timers;
2.5.1.1.1. Conversor A/D
O conversor A/D (Analógico/Digital) dos microcontroladores PIC da família 16F,
foram implementados com a técnica de aproximação sucessiva, com uma resolução
máxima de 10 bits (PEREIRA, 2005).
A impedância máxima da fonte de sinal analógico deve ser de 10kΩ. Além disso, o
tempo mínimo de aquisição do circuito de entrada do conversor, para uma impedância
na entrada de 50 Ω deve ser de 10,61µs, e para10kΩ aproximadamente 19,72µs. Esse
intervalo de tempo serve para que o capacitor de amostragem especificado em 120pF,
uma resistência especificada menor que 1kΩ e a resistência da chave de amostragem
especificada em 7kΩ a 5 volts, se carreguem para a amostragem (PEREIRA,2005).
Para utilizar o conversor A/D, deve-se habilitar a resolução em que se realiza a
coleta, e a análise das amostragens deve ser feita canal por canal, com o intervalo de
tempo definido. Essa configuração deve ser feita na programação do microcontrolador.
Já na parte física basta aplicar tensões de 0 volt à no máximo de 5 volts, então o
microcontrolador converte esse valor em decimal, conforme a resolução definida na
programação do PIC (PEREIRA, 2005).
25
2.5.1.1.2. USART
USART é uma das duas portas de comunicação integradas dos microcontroladores
PIC da família 16F. Este circuito permite a configuração para comunicação síncrona ou
assíncrona.
Na comunicação com a USART cada bloco de dados é composto por 8 bits (contudo
pode ser utilizado um bit adicional para implementar um esquema de detecção de erros
de comunicação por verificação de paridade).
A taxa de transmissão da USART é controlada pelo BRG (Baud Rate Generator). O
BRG controla o período do sinal de saída de um freerun timer de 8 bits. Em modo
assíncrono, parte do BRG é usado para controlar a taxa de transmissão entre low speed e
high speed. Usar high speed na maioria dos casos é vantajoso, uma vez que reduz a taxa
de erro.
As taxas de transmissão disponíveis, para um microcontrolador PIC com uma
frequência de 20 MHz estão descritas na tabela 2 (GASPAR & RODRIGUES, 2006).
Tabela 2 - Taxa de transmissão em modo assíncrono em bps
Taxa de transmissão (BAUD RATE) 9600 19200 28800 33600 57600 115200
Fonte: GASPAR & RODRIGUES, 2006
2.5.1.1.3. Controladores PWM
A Modulação por largura de pulso - mais conhecida pela sigla em inglês "PWM"
(Pulse - Width Modulation) - de um sinal ou em fontes de alimentação envolve a
modulação de sua razão cíclica para transportar qualquer informação sobre um canal de
comunicação ou controlar o valor da alimentação entregue a carga. É um tipo de
modulação no tempo, que consiste na codificação de um determinado sinal num trem de
26
pulsos de largura variável, onde a informação do sinal está contida na largura dos pulsos
(BARCELOS, 2008).
2.5.1.1.4. Interrupções externas
A interrupção é uma das formas mais importantes de atendimento aos dispositivos
de I/O (entradas/ saídas).
Uma interrupção externa nada mais é que a detecção de um evento externo que
permite interromper o processamento normal do microcontrolador sempre que uma
entrada específica sofrer uma alteração. Isto garante que em qualquer ponto do
programa o evento possa ser identificado e atendido.
2.5.1.1.5. Timers
O timer é um periférico básico encontrado praticamente em todo microcontrolador.
Na forma mais simples é um contador que é incrementado ou decrementado pelo clock.
Ao chegar a zero uma interrupção pode ser gerada. A partir desta interrupção o software
gera as temporizações necessárias.
Outro recurso disponível em alguns timers é a possibilidade de iniciar e parar a
contagem por um sinal externo. Isto permite usar o timer para medir o tempo entre as
variações em um sinal digital (QUADROS, 2008).
27
3. TRABALHOS RELACIONADOS
Neste capítulo são apresentados trabalhos que utilizam mesmas tecnologias, ou
idéias semelhantes que serviram de base para o projeto.
3.1. Mapeamento de ambientes escuros usando módulo robótico terrestre
com ultra-som
O projeto “Mapeamento de Ambientes Escuros Usando Módulo Robótico Terrestre
com Ultra-som” apresentado à Universidade Positivo no ano de 2009, consistia no
desenvolvimento de um módulo robótico terrestre capaz de mapear ambientes sem
nenhuma ou com pouca luminosidade e verificar a existência de objetos e obstáculos
nestes ambientes.
A verificação era realizada por um sensor de ultra-som e a distância do objeto em
relação ao módulo robótico era informada. Para facilitar o controle do módulo robótico,
um joystick era utilizado para realizar ações, agilizando a tomada de decisões pelo
usuário. Utilizou-se a tecnologia Wi5Fi 802.11g, possibilitando ao módulo robótico
uma ampla área de deslocamento (DALLAZEN,2009).
3.2. Ecobatímetro – sistema de medição de profundidade
O projeto “Ecobatímetro – sistema de medição de profundidade” apresentado à
Universidade Positivo no ano de 2007, tinha como objetivo facilitar a medição de
profundidades e facilitar desenhos técnicos.
No caso deste projeto o hardware era apresentado em uma maquete retangular que
simulava o ambiente com desníveis (retangular e sem a presença de água), os sensores
28
ultra-sônicos eram movidos através de dois eixos (x,y), que se moviam através de toda a
área retangular utilizando motores de passo. O movimento era dado através de duas
rotas pré-definias via software, em que o usuário iniciava o processo utilizando a rota
que mais lhe agradava. Quando a medição terminava, ou quando uma medição salva era
aberta, era disponibilizada ao usuário a opção de representação dos pontos medidos em
um gráfico em 3D no software GnuPlot (ROBIN, 2007).
3.3. Estudos batimétricos dos lagos dos principais parques da cidade de
Curitiba – Paraná
O estudo levantado relatou a situação de alguns dos principais lagos de parques da
Prefeitura Municipal de Curitiba em 2002. Para a realização do trabalho foram
utilizadas duas técnicas diferentes de batimetria: teodolito com nível e estação total. As
informações obtidas foram e ainda são de suma importância à Prefeitura possibilitando a
correlação com outros dados com o objetivo de minimizar a possibilidade de enchentes.
(OLIVEIRA, 2002).
29
4. ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA
Neste capítulo são apresentadas todas as especificações de hardware e de software e
uma visão geral do funcionamento do projeto.
4.1. Visão Geral do Projeto
O projeto consiste no desenvolvimento de um módulo robótico aquático que possui
o objetivo de mapear fundo de lagos e represas de forma remota. A aquisição dos dados
da profundidade se dá por um sonar. Para a localização geográfica de cada ponto utiliza-
se um módulo DGPS para fornecer as coordenadas de latitude e longitude, e para a
comunicação entre o robô e o computador utiliza-se uma rede sem fio. O software do
projeto é responsável pela comunicação com o robô e pela plotagem do gráfico da
batimetria.
Pela figura 4.1 pode ser visto o diagrama do projeto.
Figura 4.1 – Diagrama geral do projeto
30
4.2. Hardware
São apresentadas as principais características e especificações técnicas dos
componentes mais importantes do hardware do projeto.
4.2.1. DGPS
O módulo GPS escolhido para compor o projeto do robô batimétrico foi o modelo
VENUS634FLPx da Skytraq. As especificações do mesmo podem ser vistas na tabela 3:
Tabela 3 - Especificação técnica do módulo DGPS Acurácia – Posição 2,5 m (CEP)
Acurácia – Velocidade 0,1 m/sec
Sensibilidade -161 dBm
Interface UART nível LVTTL (Low Voltage TTL)
Tensão de alimentação 2,8V a 3,6V
Consumo de corrente (rastreamento) ~28mA
Temperatura de operação -40 a +85 °C
Fonte: DGPS, 2009
Por se tratar de um componente de difícil manuseio e sensível, esse módulo está
inserido numa placa desenvolvida pela SparkFunEletronics que possui uma interface
para antena SMA. Na figura 4.2 é apresentada a placa do DGPS.
Figura 4.2 - Módulo DGPS Fonte: SPARKFUN, 2009
31
4.2.2. Sonar
O sonar utilizado no desenvolvimento do projeto foi o modelo D11S da HawkEye.
Esse sonar é capaz de detectar profundidades entre 50 centímetros e 30 metros,
mostrando a profundidade em metros em um display.
O sonar é composto basicamente por três módulos: um transdutor, módulo de
potência e módulo de gerência e display.
Figura 4.3 - Sonar D11S da HawkEye Fonte: própria
O transdutor é o responsável pela emissão das ondas ultra-sônicas e recebimento do
sinal de eco. O trem de pulso enviado pelo transdutor possui ondas de 200 kHz.
O módulo de potência é o responsável por condicionar a energia da bateria (12 V)
para a geração das ondas de ultra-som.
O módulo de gerência realiza o cálculo da profundidade de acordo com os dados do
transdutor e envia para o display.
4.2.3. Ponte H (L298)
A ponte H utilizada é um componente integrado chamado L298. Com capacidade de
corrente máxima de 4A, sendo suficiente para os 2 motores.
32
A figura 4.4 apresenta uma representação gráfica do circuito integrado L298 e seus
respectivos pinos.
Figura 4.4 - Circuito integrado L298 Fonte: L298, 2000
A seguir as especificações técnicas da ponte H L298:
Tabela 4 - Especificações técnicas da L298 Tensão de alimentação 4,8V a 46V
Tensão de alimentação lógica 4,5V a 7V
Corrente máxima 4A
Tensão de entrada e habilitação -0,3 a 7V
Pico de corrente por ponte H 3A
Tensão de sensibilidade -1 a 2,3V
Potência dissipada (75ºC) 25W
Fonte: L298, 2000
4.2.4. Motores
Os motores utilizados possuem as seguintes características:
Alimentação: 7VDC;
Corrente: 600mA;
Dimensão: Ø10mm X 30mm.
Os dois motores já faziam parte da embarcação utilizada no projeto.
33
4.2.5. Comunicação sem fio
Para a comunicação sem fio são utilizados dois módulos Xbee-Pro da MaxStream,
com as seguintes características:
Tabela 5 - Especificação técnica do Xbee-Pro Alcance em ambientes internos 100m Alcance de RF em linha visível para ambientes externos 1,6 km Sensibilidade do receptor -100 dB Frequência de operação ISM 2,4 GHz Taxa de dados de RF 250 kbps Tensão de alimentação 2,8 a 3,4 V
Fonte: XBEE-PRO, 2011
Os módulos foram configurados para realizar a comunicação ponto-a-ponto, ou seja,
os dois módulos se comunicam serialmente um com o outro.
Figura 4.5 - Módulo Xbee-Pro Fonte: XBEE-PRO, 2011
Para facilitar a conexão do módulo Xbee-Pro ao computador, utiliza-se uma placa
desenvolvida pela Spark Fun Eletronics que acopla o módulo e realiza a interface USB.
34
Figura 4.6 – Adaptador USB para Xbee-Pro Fonte: SPARKFUN, 2011
4.2.6. Microcontroladores
Os dois microcontroladores utilizados no projeto são: PIC16F877A e PIC16F873A,
pertencendo, portanto da mesma família. Pela tabela 6 pode ser visto um comparativo
entre os dois microcontroladores.
Tabela 6 - Características do PIC16F877A e do PIC16F873A
Fonte: PIC, 2003
35
4.2.7. Conversor de nível de tensão
Esse conversor é responsável pela conversão do nível lógico LVTTL para o nível
TTL e vice e versa. A placa do conversor de nível foi desenvolvida pela Spark Fun
Electronics. A seguir, na Figura 4.7 será mostrada a placa do conversor de nível.
Figura 4.7 - Conversor de nível
Fonte: SPARKFUN, 2008
4.2.8. Alimentação
Nesta secção são apresentados os componentes da alimentação do hardware: as
baterias, reguladores de tensão e o módulo de acoplamento do Xbee-Pro.
4.2.8.1. Baterias
Para alimentar todo o hardware do projeto são utilizadas duas baterias de 6V, dos
seguintes modelos UP613 e UP645 da Unipower. Algumas características são
apresentadas na tabela 7.
36
Tabela 7 - Características da baterias UP613 e UP645
Fonte: UNIPOWER, 2011
A figura 4.8 se refere à curva de descarga da bateria UP613, enquanto que a figura
4.9 se refere à curva de descarga da bateria UP645.
Figura 4.8 - Curva de descarga da bateria UP613 Fonte: UNIPOWER, 2011
Figura 4.9 - Curva de descarga da bateria UP645
37
4.2.8.2. Reguladores de tensão
Como as baterias são de 6V, são necessários reguladores de tensão para alimentar os
componentes que necessitam de uma tensão menor que 6V, como por exemplo, o Xbee-
Pro, o DGPS e os microcontroladores.
O regulador de tensão LD33V, converte a tensão de 6V para 3,3V. E o regulador de
tensão L7805CV, converte a tensão de 6V para 5V.
4.2.8.3. Módulo de acoplamento do Xbee-Pro
O módulo de acoplamento do XBee-Pro é responsável pela regulação da tensão de
3,3V, condicionamento do sinal, e os indicadores de atividade básica (Power, RSSI e
DIN / DOUT e atividade dos LEDs). Ele reduz os sinais de 5V para 3,3V, a figura 4.10
mostra esse módulo de acoplamento.
Figura 4.10 - Módulo de acoplamento do Xbee-Pro
Fonte: SPARKFUN, 2011
4.3. Software
A seguir são apresentadas as principais características e especificações dos
componentes do software do projeto.
4.3.1. Programa do computador
Para o desenvolvimento do programa foram utilizados alguns componentes e
tecnologias de programação.
38
4.3.1.1. Linguagem de programação C#
É uma linguagem de programação orientada a objetos, desenvolvida pela Microsoft
como parte da plataforma .NET. A sua sintaxe orientada a objetos foi baseada no C++,
mas inclui muitas influências de outras linguagens de programação.
Para desenvolver nessa linguagem é preciso ter instalado o software Microsoft
Visual Studio.
4.3.1.2. Linguagem de programação WPF
O Windows Presentation Foundation (WPF), é um subsistema gráfico no .NET
Framework 3.0, que usa uma linguagem de marcação conhecida como XAML.
Possibilita controles ricos, design, e desenvolvimento de aspectos visuais de
programas do Windows. Se propõe a unificar um número de serviços de aplicações:
interface com o usuário, desenhos 2D e 3D, documentos fixos e adaptáveis, tipografia
avançada, gráficos vetoriais, animações, vinculação de dados, áudio e vídeo.
4.3.1.3. Banco de dados SQL Server
O Microsoft SQL Server é um sistema gerenciador de banco de dados relacional
criado pela Microsoft.Proporciona bons níveis de segurança, confiabilidade e
escalabilidade para aplicações críticas. Pode ser encontrado também como um
componente do Microsoft Visual Studio.
4.3.1.4. Protocolo de comunicação
O protocolo de comunicação tem como objetivo padronizar as mensagens entre o PC
e o modulo robótico. A Tabela 8 mostra os tipos de mensagens que podem ser enviadas
do computador para o barco, sendo elas de oito bits podendo ser convertido para um
caractere ASCII.
39
Tabela 8 - Mensagem PC para o barco
PC Para o barco
Objetivo Mensagem Significado
Co
ntr
ole
P Parado
F Frente
R Ré
D Direita
E Esquerda
1
Vel
oci
dad
es
2
3
4
5
6
7
8
Solic
itaç
õe
s T tudo
M Imotores
G Dados do GPS
S Sonar Fonte: PRÓPRIA
A tabela 9 mostra as mensagens trocadas do barco para o PC.
Tabela 9 - Mensagens enviadas do barco para o PC
Barco to PC
Objetivo Mensagem Significado
Re
spo
stas
PT[valores GPS]|[Valor Sonar]|[I Motor1]|[I Motor2] Resposta da solicitação 't'
PM[I Motor1]|[I Motor2] Resposta da solicitação 'm'
PG[valores GPS] Resposta da solicitação 'g'
PS[Valor Sonar] Resposta da solicitação 's' Fonte: PRÓPRIA
4.3.2. Programa embarcado (Firmware)
Para o firmware são utilizados dois programas, um para o desenvolvimento do
código e o outro para a gravação do código no microcontrolador.
40
4.3.2.1. PCWHD Compiler
Consiste em um ambiente integrado de desenvolvimento para sistemas operacionais
Windows e suporta todas as linhas de microcontroladores PIC (séries PIC12, PIC14,
PIC16 e PIC18) (CAMARGO, 2006).
O compilador transforma as informações geradas pelo programa (*.asm) em opcode
– códigos operacionais (hexadecimais de 14 bits) e transforma em hexadecimal (*.hex).
4.3.2.2. IC Prog Prototype Programmer
IC-Prog é um software para programação de circuitos integrados em ambiente
Windows. Ele é responsável por gravar as informações hexadecimais para o
microcontrolador.
41
5. DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO
Nesse capitulo será apresentada a implementação dos sistemas de hardware e
software.
Na secção de Hardware é mostrado o desenvolvimento do hardware e do firmware
dos microcontroladores. Já na secção de Software é apresentado o programa
desenvolvido para controle e visualização do protótipo.
5.1. Hardware
O hardware tem como objetivo controlar e gerenciar o dispositivo. O sistema é
composto por dois módulos de processamento, responsáveis pelo controle e
gerenciamento do dispositivo.
A figura 5.1 apresenta um diagrama em blocos do sistema com todo o hardware
necessário para o funcionamento físico do dispositivo.
42
Figura 5.1 - Diagrama em blocos do sistema Fonte: PRÓPRIA
Nas secções posteriores são apresentados o funcionamento e a forma em que os
blocos estão conectados.
5.1.1. Motores
Os motores são responsáveis pela propulsão e controle da embarcação. Para o
controle da embarcação foram utilizados dois motores elétricos, controlados pela
técnica de modulação por largura de pulso (PWM). Esta técnica permite o controle de
torque dos motores, sendo possível controlar a velocidade de cada motor
separadamente.
A figura 5.2 mostra a disposição dos motores, eixo de tração e as hélices da
embarcação.
43
Figura 5.2 - Disposição física dos atuadores do protótipo. Fonte: PRÓPRIA
5.1.2. Drive de potência
Este módulo faz a interface de potência entre nível lógico e o sinal de controle dos
motores. Devido à alta corrente necessária para o acionamento dos motores, é
necessário o uso deste estágio de potência, garantindo o torque de partida.
Para garantir maior mobilidade da embarcação foi necessário o uso de uma ponte H,
que possibilita a mudança de polarização do motor, possibilitando a mudança de sentido
de rotação de cada motor de forma independente.
A ponte H é um circuito eletrônico de potência que permite que determinado
dispositivo lógico, como o microcontrolador utilizado, possa controlar um motor DC
sem ultrapassar seus limites de corrente de saída.
A ponte H utilizada foi o circuito integrado L298, que é controlado pelo
microcontrolador responsável pela geração de PWM (PIC16F873A) e controle dos
motores.
A figura 5.3 mostra o circuito desenvolvido para controlar os motores, onde existem
diversos sinais lógicos de controle e análise, tais como:
PWM<1 e 2>: Sinais de entrada que definem a velocidade dos motores;
Motor<_E_D, _E_E, _D_D e _D_E>: Sinais de entrada que definem a
direção de rotação dos motores;
44
Sensor_Motor_<A e B>: Sinais de saída que indicam o consumo de
corrente dos motores;
Motor <Dir1, Dir2, Esq1 e Esq2>: Saída amplificada para controle dos
motores.
Figura 5.3 - Circuito de potência Fonte: PRÓPRIA
5.1.3. Microcontrolador de controle PWM
Este módulo é responsável pelo controle dos motores, tanto direção quanto
velocidade. Ele é supervisionado pelo microcontrolador de gerenciamento com uma
arquitetura do tipo mestre escravo, onde o dispositivo mestre disponibiliza as
informações de controle em um barramento de dados, o escravo as lê e as executa se for
sua responsabilidade.
O microcontrolador utilizado para o gerenciamento é um PIC16F873A com uma
frequência de clock de 38 kHz. Na figura 5.4 é mostrado o circuito de controle PWM
dos motores. A seguir é apresentado um descritivo dos sinais desse circuito.
PWM2, PWM1: Sinais de saída que definem a velocidade dos motores.
Esses pinos estão ligados diretamente ao componente L298;
45
Motor<_E_D, _E_E, _D_D e _D_E>: Sinais de saída que definem a direção
do giro dos motores. Esses pinos também estão ligados diretamente ao
componente L298;
Seleciona_Velocidade<1, 2 e 3>: Sinais de entrada que definem a
velocidade do giro motor. Como serão utilizados três bits de controle de
velocidade são possíveis oito velocidades pré-fixadas. Esses sinais são
providos pelo microcontrolador de gerenciamento.
Ctrl<1, 2 e 3>: Sinais de entrada que definem o tipo de movimento do barco,
frente, ré, direita, esquerda e parado. Esses sinais são providos pelo
microcontrolador de gerenciamento.
Figura 5.4 - Circuito microcontrolador de controle PWM Fonte: PRÓPRIA
46
5.1.3.1. Firmware do microcontrolador de controle PWM
Esta seção apresenta o funcionamento do microcontrolador de controle PWM por
meio de um fluxograma. Para a implementação foram utilizados os seguintes recursos:
Portas I/O: utilizadas para realizar a coleta de informações do
microcontrolador de gerenciamento. Esses pinos fazem o controle de
sentido de rotação dos motores.
Módulo PWM: define a velocidade de rotação dos motores
A Figura 5.5 mostra o fluxograma do firmware de controle do microcontrolador de
geração de PWM.
Figura 5.5– Fluxograma do microcontrolador de controle PWM Fonte: PRÓPRIA
47
Conforme apresentado no fluxograma da figura 5.5, o microcontrolador de controle
PWM permanece em laço infinito, nesse laço ele verifica as entradas de definição de
velocidade e sentido dos motores, após isso, ele seta os pinos do drive de potência para
configuração e define a largura de pulso do sinal PWM que também é aplicado no drive
de potência.
O trecho de código apresentado a seguir foi implementado para configurar o drive de
potencia L298, definindo a largura do pulso e direção dos motores.
O método “Define_Motor” possui três parâmetros de entrada sendo eles “Motor”,
“Dir” e “Velocidade”. As variáveis “Motor” e “Dir” são do tipo “int1” que funcionam
como uma variável booleana, que define qual motor está sendo configurado e o sentido
da rotação dos motores, respectivamente. A variável “Velocidade” é do tipo “long”, os
valores atribuídos a essa variável podem variar de 0 a 1023, sendo que zero corresponde
0% da potência do motor e 1023 corresponde a 100%. Desta forma, se esse parâmetro
estiver com o valor de 512 a potência estará em 50%, 256 a 25% e assim por diante.
5.1.4. Módulo DGPS
Este módulo é responsável pela leitura de sinais emitidos por uma série de satélites.
Tem como objetivo definir o seu posicionamento geográfico. Essas informações são
lidas por meio de uma saída de dados serial (TX e RX) que indica as coordenadas de
sua posição.
voidDefine_Motor(int1 Motor,int1 Dir,long Velocidade) // Função de configuração if(Dir) // Verifica direção desejada if(Motor) // Verifica Ponte H a ser configurar output_high (Motor_D_Frente);// Configura sentido de rotação output_low (Motor_D_Re); // Configura sentido de rotação set_PWM1_duty(Velocidade); // Configura largura do pulso PWM else output_high (Motor_E_Frente); output_low (Motor_E_Re); set_PWM2_duty(Velocidade); else (… inverso das instruções cima ...) return;
48
5.1.4.1. Configuração
Para a comunicação entre o dispositivo DGPS e o microcontrolador, foi utilizado o
protocolo NMEA, instituído pela National Marine Eletronics Association para
padronizar as mensagens utilizadas em embarcações.
O módulo DGPS foi configurado de forma customizada, para atender as
necessidades do projeto. Abaixo estão listadas as configurações do módulo:
Taxa de transmissão (Baud Rate): 38400 bps;
Taxa de atualização: 4 Hz;
Quantidade de mensagem de saída: 1;
Tipo de mensagem de saída: GPGGA;
Essas configurações foram feitas por meio de um software de configuração
(SkyTrap versão 0.4.723), disponibilizado pelo fabricante do componente. Nesta
ferramenta é possível a edição de uma ampla gama de propriedades do módulo DGPS.
5.1.4.2. Implementação
Para o uso do módulo DGPS no projeto, foi necessário um regulador de tensão de
3,3 V. Também foram utilizados dois conectores para o acoplamento à placa de circuito
impresso. A Figura 5.6 mostra o circuito do módulo, no qual são apresentados os dois
sinais de comunicação: TX_GPS_LVTTL e RX_GPS_LVTTL. Estes sinais estão
acoplados diretamente ao conversor de nível de tensão, pois o módulo DGPS funciona
em nível lógico LVTTL e o microcontrolador em nível lógico TTL, bem como o
módulo de comunicação sem fio.
Figura 5.6 – Conectores para acoplamento do módulo DGPS Fonte: PRÓPRIA
49
5.1.5. Módulo de comunicação
O módulo de comunicação é responsável pela transferência de dados sem fio entre o
dispositivo e o computador. Esse módulo tem papel fundamental para o controle da
embarcação, funcionando de modo transparente. Com ênfase na baixa potência de
operação, foram utilizados dois módulos RF-Xbee, com baixa taxa de transmissão de
dados, pois não há necessidade de altas taxas.
Conforme apresentado na especificação deste componente, ele precisa de
alimentação de 3,3 V, sendo provida pelo módulo de acoplamento do Xbee, que
converte a tensão VCC (5V) para 3,3 V e realiza a interface do módulo com o restante
do circuito.
A figura 5.7 mostra o circuito desenvolvido para o módulo de acoplamento onde são
apresentados os dois sinais de comunicação: TX_XBEE_LVTTL e RX_XBEE
_LVTTL. Estes sinais estão acoplados diretamente ao conversor de nível, da mesma
forma que o módulo DGPS explicado na secção anterior.
Figura 5.7 - Conector para o encaixe do modo de acoplamento Xbee. Fonte: PRÓPRIA
5.1.6. Módulo de conversão de nível
Os módulos DGPS e Xbee trabalham com LVTT (Low Voltage TTL), e o módulo de
processamento opera em nível TLL sendo necessário converter os níveis de tensão para
a comunicação entre os módulos.
Na figura 5.8, pode-se notar a existência de dois canais de conversão, um deles será
utilizado pelo modulo GPS e outro pelo módulo de comunicação sem fio.
50
Figura 5.8 - Conector conversor de nível. Fonte: PRÓPRIA
5.1.7. Sonar
É responsável pela aquisição da profundidade, e com os valores adquiridos é
possível definir o eixo Z do gráfico.
O sonar é composto por um transdutor ultra-sônico que é excitado por um circuito
de potência controlado por um microcontrolador. O controle é feito por técnicas de
controle de largura de pulso que define a frequência de trabalho do transdutor. Este tipo
de dispositivo trabalha com o Efeito Doppler onde se calcula da distância ou
profundidade executando cálculos matemáticos com a velocidade do som no meio e o
tempo do eco.
O sonar utilizado foi o D11S desenvolvido pela HawkEye. Este dispositivo é parte
de um produto comercial, foi necessário um estudo delicado para identificar os sinais
provenientes de comunicação dos módulos desse sonar. O diagrama da figura 5.9
mostra a arquitetura do sonar utilizado.
Figura 5.9 - diagrama em blocos do sonar Fonte: PRÓPRIA
51
Conforme mostrado na figura 5.10 entre os blocos “Display e módulo de controle de
pulsos” e “Módulo de potência e alimentação”, há oito sinais distintos. Dentre eles o
trem de pulso de 200 kHz (sinal 1 em verde), eco (sinal 8 em laranja), status do
dispositivo (sinal 3 em azul) e a chave de controle do dispositivo (conectores 4 e 5 em
branco e vermelho respectivamente) - os demais sinais não foram necessários para o
cálculo da profundidade.
A figura 5.10 mostra o circuito desenvolvido para a coleta dessas informações,
sendo aplicadas no microcontrolador de gerenciamento que será mostrado
posteriormente. Isso foi possível após a secção do cabo que liga o “Display e módulo de
controle pulsos” ao “Módulo de potência e alimentação”.
Figura 5.10 - Secção do cabo do sonar. Fonte: PRÓPRIA
O sonar possui uma atualização de frequência de 6,6 Hz. A figura 5.11 mostra a
forma que o sinal é emitido e a resposta do eco.
52
Figura 5.11 - Funcionamento do sonar Fonte: PRÓPRIA
Desta forma foi possível inserir esses sinais nas interrupções do microcontrolador de
gerenciamento e calcular a profundidade de cada ponto medido.
O transdutor é o responsável por emitir as ondas ultra-sônicas e receber o eco. Ele
deve ser fixado no barco formando um pequeno ângulo com o barco, como mostra a
figura 5.12. A frequência do sinal emitido é de 200 kHz.
Figura 5.12 - Modo de instalação do transdutor do sonar Fonte: HAWKEYE, 2008
A Figura 5.13 mostra a forma que o transdutor esta instalado no barco.
53
Figura 5.13 - Ângulo de instalação do transdutor Fonte: PRÓPRIA
5.1.8. Microcontrolador de gerenciamento
Esse módulo é responsável pela integração de todos os outros módulos do
dispositivo. Para esta função foi utilizado um microcontrolador PIC16F877A.
Para o controle e gerenciamento do protótipo são utilizados diversos recursos do
microcontrolador, tais como: conversor analógico/digital, portas I/O, comunicação
serial e interrupções.
Na figura 5.14 é apresentado o circuito lógico do microcontrolador, com seus
respectivos sinais de entrada e saída. Os sinais estão dispostos da seguinte forma:
VRD_Sinal_Sonar e LRJ_Eco_Sonar: sinais de entrada, esses sinais são
provenientes do sonar, um indica o envio do trem de pulso para o transdutor
e outro o eco respectivamente;
Sensor_Motor_<A e B>: sinais de tensão variada, estes sinais são
provenientes do módulo de drive de potência. Esses sinais são utilizados para
o monitoramento de corrente nos motores. Estes sinais são aplicados
diretamente no conversor A/D;
Ctrl<1, 2 e 3>: sinais de saída responsáveis pelo controle de estado da
embarcação. Exemplos: parado, frente , direita, esquerda e ré.
Seleciona_Velocidade<1, 2 e 3>: sinais de saída que definem a velocidade
de giro do motor, como são utilizados três bits de controle de velocidade
temos oito velocidades fixas. Esses sinais são aplicados no microcontrolador
de controle PWM.
TX_XBEE_TTL eRX_ XBEE_TTL: sinais de comunicação serial, do tipo
hardware;
54
TX_GPS_TTL e RX_GPS_TTL: sinais de comunicação serial, do tipo
software, por estar sendo emulada;
on_off_GPS: sinal de saída, este sinal é utilizado para ligar ou desligar o
módulo DGPS.
on_off_Sonar: sinal de saída, este sinal é utilizado para ligar ou desligar o
Sonar.
AZL_Status_Sonar: sinal de entrada, este sinal é utilizado para monitorar
se o sonar está ligado ou desligado.
Sin_Ger: sinal de sinalização.
Figura 5.14 - Circuito do microcontrolador de gerenciamento Fonte: PRÓPRIA
A figura 5.15 mostra o circuito de liga e desliga, do sonar e do módulo DGPS.
55
Figura 5.15 - Circuito liga e desliga GPS e Sonar Fonte: PRÓPRIA
5.1.8.1. Firmware do microcontrolador de gerenciamento
Esta secção apresenta trechos de código do microcontrolador de gerenciamento e
fluxograma do código. Para a implementação são utilizados os seguintes recursos:
Portas I/O: utilizadas para realizar requisição de controle para o
microcontrolador de controle PWM. Esses pinos fazem o controle de sentido
de rotação dos motores;
Comunicação serial: utilizada para realizar a coleta dos dados do GPS e
comunicação com o módulo de comunicação sem fio;
Conversor Analógico/Digital: utilizado para coletar as informações dos dois
sensores de corrente dos motores;
Interrupções CPP: utilizadas para coletar as informações do sonar para
cálculo da profundidade;
Timer: utilizado para contagem de tempo entre o fim do trem de pulso e a
chegada do eco;
Interrupção externa: para emular a porta serial de software, coleta as
informações provenientes do modulo DGPS;
A figura 5.16 apresenta o fluxograma do código implementado, sendo possível
observar as quatro interrupções utilizadas para o tratamento das portas seriais e realizar
o cálculo da profundidade.
56
Figura 5.16 - Fluxograma do microcontrolador de gerenciamento. Fonte: PRÓPRIA
Para um melhor entendimento do firmware será apresentado trechos chaves do
código, conforme a lista a baixo:
Solicitação da profundidade;
Solicitação da localidade;
Solicitação de corrente dos motores.
57
5.1.8.1.1. Solicitação da profundidade
Na solicitação da profundidade há o uso de duas técnicas de programação de
microcontroladores: Interrupção e Timer.
Para se calcular a profundidade foi necessário o uso de duas interrupções, uma
ativada por borda de descida e outra por borda de subida. O Timer tem o objetivo de
realizar a contagem do tempo, conforme mostrado no trecho de código abaixo:
A cada interrupção do Timer0 o estado de um pino é alternado, Desta forma foi
possível verificar o intervalo de tempo real da interrupção do Timer0 “#int_TIMER0”
como mostrado no trecho do código acima e na figura 5.17, a interrupção do Timer0
estoura a cada 25,6 us.
setup_ccp1(CCP_CAPTURE_FE); // Configura CCP2 captura descida setup_ccp2(CCP_CAPTURE_RE); // Configura CCP2 captura subida setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_1); // Configura o Timer 0 set_timer0(245); // Seta o contador do Timer (...) #int_TIMER0 //conta o tempo para o sonar void TIMER0_isr() staticbooleanpulso; SET_TIMER0(245 - GET_TIMER0()); // Seta o contador do Timer if(Ctrl == 1) Cont++; // conta ocorrência de interrupção pulso = !pulso; output_bit(PIN_b2,pulso); // Alterna o estado de um pino para
verificação #int_CCP1 //sinal void CCP1_isr() Ctrl = 1; Cont = 0; // habilita contagem do tempo #int_CCP2 //eco void CCP2_isr() if(Ctrl == 1) // calcula o tempo do eco Tempo = Cont * 25.6; Ctrl = 0; // multiplica a variável Cont pelo intervalo de
tempo (...) VoidLerSonar() Profundidade = 1440 * ((Tempo / 2) / 1000000); //Profundidade = vel. som agua * ((tempo descida + subida)microsegundos)/2) fprintf(RS232HW,"PS:%f§\n",Profundidade);
58
Figura 5.17 - Estouro do Timer0 Fonte: PRÓPRIA
5.1.8.1.2. Solicitação da localidade
Na solicitação de localidade do barco foi utilizada a técnica de geração de uma
rotina serial de software “FORCE_SW”, possibilitando o uso de duas portas seriais. O
trecho de código abaixo mostra as rotinas necessárias para a coleta e envio da latitude e
longitude da embarcação.
59
5.1.8.1.3. Solicitação de corrente dos motores
Para a solicitação de corrente dos motores é realizada a leitura do conversor A/D do
microcontrolador de gerenciamento. O trecho de código abaixo mostra as rotinas
desenvolvidas.
setup_adc_ports(AN0_AN1_AN3); // Configurapinosparaconversor AD setup_adc(adc_clock_div_32); (…) Void LerMotor() set_adc_channel(1); // Seta canal de leitura delay_us(20); Motor1=read_adc(); // atribui valor do AD para a variável Motor1 (…) fprintf(RS232HW,"PM:%Lu|%Lu§\n",Motor1,Motor2); // envia as informações
solicitadas
#users232(stream=RS232SW, baud=38400, xmit=PIN_B1,rcv=PIN_B0,FORCE_SW,ERROR)
ext_int_edge(H_TO_L); enable_interrupts(INT_EXT); enable_interrupts(INT_RDA); #INT_EXT//Tratamento da interrupção da porta seria Software (GPS) voidsw_uart_isr () chardadoGPS; dadoGPS = fgetc(RS232SW); (…) vetor[indice] = dadoGPS; indice++; (…) VoidLerGPS () // Envia Latitude e Longitude disable_interrupts(INT_EXT); fprintf(RS232HW,"PG:"); for(x = 12;x < 37;x++) fprintf(RS232HW,"%c",vetor[x]); fprintf(RS232HW,"§\n");enable_interrupts(INT_EXT);
60
5.1.9. Alimentação
Para o suprimento de energia do sistema foi necessário o uso de duas baterias de 6
V, onde uma delas foi utilizada para alimentação do circuito e as duas em série para
alimentar o sonar. A figura 5.18 mostra de forma esquemática como as baterias estão
ligadas.
Figura 5.18 - Esquemático das baterias. Fonte: PRÓPRIA
5.1.10. Montagem do Protótipo
Nessa secção são apresentadas as dimensões do barco e da placa de controle desenvolvida.
A figura 5.19 mostra a disposição dos componentes dentro da embarcação.
61
Figura 5.19 - Disposição dos componentes na embarcação. Fonte: PRÓPRIA
5.1.10.1. Dimensões do barco
Para o desenvolvimento do protótipo foi utilizada uma lancha de brinquedo. Nessa
pequena embarcação, como pode ser vista na figura 5.20, são visualizadas as suas
dimensões com detalhes das hélices dos dois motores.
Figura 5.20 – dimensão da embarcação Fonte: PRÓPRIA
62
Devido o uso de duas baterias de gel, totalizando 1,1 kg, foi necessário o
desenvolvimento de dois flutuadores laterais para estabilização do barco. A massa total
do conjunto barco + circuitos eletrônicos foi de aproximadamente 2,5 kg, incluindo
motores, eixos, hélices, circuitos, baterias, sonar e cabos.
5.1.10.2. Dimensões da placa de circuito impresso
A placa de circuito impresso foi projetada para ficar embarcada no protótipo. As
dimensões da placa são mostradas na figura 5.21, com uma breve visualização em 3D
gerada pelo software de circuitos impressos ARES-3D.
Figura 5.21 - Placa de controle em 3D Fonte: PRÓPRIA
5.2. Software
Nesse capítulo é apresentada a implementação software de controle e gerenciamento
do barco, chamado ViewBot.
Para o desenvolvimento do software foram utilizados: ferramenta de
desenvolvimento Visual Studio 2008, linguagem de programação C#, componente de
63
smart-client do .NET Framework (Windows Forms), componente WPF (Windows
Presentation Foundation) do .NET Framework 3.5 e banco de dados SQL Server.
5.2.1. Casos de uso
Essa análise classifica as unidades funcionais providas pelo sistema, subsistema, ou
classe manifestada por sequências de mensagens intercambiáveis entre os sistemas e um
ou mais atores desse sistema. Ele descreve um cenário de possível iteração com um
utilizador.
A seguir serão apresentados os cenários e casos de uso do software ViewBot:
Cenário: Tela de conexão
Neste cenário, o usuário pode escolher a porta em que o dispositivo de
comunicação foi instalado e se conectar na mesma, iniciando assim a conexão com o
robô. O diagrama de caso de uso deste cenário é apresentado na figura 5.22.
Figura 5.22 - Casos de uso da tela de conexão Fonte: PRÓPRIA
A Figura 5.23 mostra a tela de conexão do software desenvolvido.
64
Figura 5.23 - Tela de conexão Fonte: PRÓPRIA
Cenário: Tela de monitoramento e controle
O usuário pode selecionar o local de trabalho, para visualizar a caminho percorrido
pelo barco, se desejar pode limpar o caminho traçado e determinar o momento de
começar a gravar os pontos no banco de dados. Pode controlar a direção e velocidade do
barco, ligar o sonar e o GPS, além da opção de cadastrar um novo local de trabalho ou
de ir para a tela onde é feita a plotagem do gráfico. O diagrama de caso de uso deste
cenário é apresentado na figura 5.24.
Figura 5.24 - Casos de uso da tela de monitoramento e controle Fonte: PRÓPRIA
65
A figura 5.25 mostra a tela de monitoramento e controle.
Figura 5.25 - Tela de monitoramento e controle Fonte: PRÓPRIA
Cenário: Tela de cadastro de novo local de trabalho
Para cadastrar um novo local de trabalho, o usuário deve entrar com dados
necessários que são: o nome que identificará o local, uma foto da vista superior do local
de coleta, e as coordenadas de latitude e longitude do ponto extremo localizado no canto
superior e direito da imagem. Esse ponto serve de referência inicial para o software no
momento de traçar o caminho percorrido pelo barco. Por fim, para confirmar o cadastro
basta clicar em salvar. O diagrama de caso de uso deste cenário é apresentado na figura
5.26.
66
Figura 5.26 - Casos de uso da tela de cadastro de novo local de trabalho Fonte: PRÓPRIA
Na figura 5.27 é apresentada a tela cadastro de mapas.
Figura 5.27 - Tela de cadastro de mapas Fonte: PRÓPRIA
Cenário: Tela de inicio da gravação dos dados
Para iniciar a coleta dos dados é necessário nomear a coleta e definir a velocidade da
coleta, ou seja, de quanto em quanto tempo um novo ponto será coletado. Por fim, para
iniciar a gravação basta clicar em gravar e os dados serão gravados no banco de dados.
O diagrama de caso de uso deste cenário é apresentado na figura 5.28.
67
Figura 5.28 - Casos de uso da tela de gravação dos dados Fonte: PRÓPRIA
A figura 5.29 mostra a tela de coleta de dados.
Figura 5.29 - Tela de configuração de coleta Fonte: PRÓPRIA
Cenário: Tela de plotagem do gráfico
Para plotar o gráfico batimétrico, o usuário deve selecionar o local onde foi realizada
a batimetria e gerar o gráfico. Tem a opção também de se direcionar para a tela de
monitoramento e controle. O diagrama de caso de uso deste cenário é apresentado na
figura 5.30.
68
Figura 5.30 - Casos de uso da tela de plotagem do gráfico Fonte: PRÓPRIA
A figura 5.31 mostra a tela de onde é realizada a plotagem dos dados coletados.
Figura 5.31 - Tela de plotagem de dados. Fonte: PRÓPRIA
69
6. VALIDAÇÃO E RESULTADOS
Para a validação do projeto proposto foram realizados diversos testes em
laboratório e me campo, sendo os resultados apresentados a seguir.
Na figura 6.1 são mostradas fotos do protótipo em funcionamento, que mesmo
sendo em tamanho reduzido, apresentou ser estável e funcional.
Figura 6.1 - Protótipo em funcionamento Fonte: PRÓPRIA
Quanto ao funcionamento do protótipo, foram realizados testes para validação
dos sensores utilizados, sendo relatados a seguir.
70
6.1. Testes de validação
Nesta parte do trabalho serão mostrados testes realizados com os componentes
utilizados para o desenvolvimento do deste projeto.
6.1.1. Teste do sonar
Para a validação do sonar utilizado foram necessários testes em ambientes
controlados, como uma piscina com desnível conhecido. Os testes de medição de
profundidade foram realizados nas piscinas olímpicas da Universidade Positivo e do
Colégio Estadual do Paraná.
No teste realizado na piscina da Universidade Positivo, foram inseridas seis
plataformas dispostas em degraus para criar os desníveis, cada uma com 30 centímetros
de altura. Como a profundidade era conhecida, foi possível a comparar as medições
efetuadas pelo protótipo com a real profundidade em cada nível, validando o sensor. A
figura 6.2 mostra o protótipo realizando a coleta dos dados para análise na piscina com
os desníveis (esquerda) e a profundidade da piscina (direita). Os valores apresentados na
figura 6.2 identificam a profundidade até a plataforma.
Figura 6.2 - Teste Sonar Fonte: PRÓPRIA
71
O sonar identificou todas as plataformas apresentando erro fixo de
aproximadamente 10 centímetros que pode ser compensado via software.
Segundo a especificação do fabricante do sonar, ele funcionaria em
profundidades entre 70 centímetros e 30 metros, mas como foi desenvolvido um circuito
monitor, capaz de ler as informações transmitidas entre o barramento do sonar (Sinal e
eco ), foi possível ler uma faixa maior de profundidades com melhor resolução variando
de 50 centímetros a 30 metros. Devido a grandes profundidades estarem relacionadas
não foi possível testar se o sensor detectaria profundidades maiores que o especificado.
6.1.1.1. Erros de leitura de profundidade
Para calcular a profundidade utilizando o ultrassom, utiliza-se a equação do
deslocamento linear de uma partícula, a profundidade pode ser calculada da seguinte
forma:
Profundidade = (Velocidade_do_Som_Na_agua * (Tempo_de_propagação/2));
Para calcular a velocidade do som na água é necessário o uso da equação
abaixo:
Velocidade_do_Som_Na_agua = 1410 + 4,21* T - 0,037 * T2 + 1,1 * S + 0,018 * P
Onde: T = Temperatura da água; S = Salinidade da água;
P = Profundidade em metros;
Como a variável da velocidade é volátil e dependente das condições físicas do
meio de propagação, em nosso caso a água, sendo assim inviável se calcular a
velocidade exata do som em grandes profundidades, devido a mudança de profundidade
gradativa, mudança de salinidade e temperatura variável entre a superfície e o solo
subaquático. Assim foi estipulado um valor médio da velocidade do som na água de
1440 m/s. desta forma estaremos susceptíveis a pequenos erros pela variação da
velocidade do som. Embora sendo aceitáveis por se tratarem de centímetros.
72
6.1.2. Teste do módulo de comunicação sem fio (Xbee)
O Xbee funcionou dentro das especificação do fabricante, para o teste de
comunicação o barco se deslocou por toda extensão do lago da Universidade Positivo,
cerca de 560 metros, sem apresentar perdas de pacotes de dados. Na folha de dados do
modulo é especificado que dois módulos podem se comunicar separadamente por cerca
de 1,6 km em visão direta.
6.1.3. Teste do módulo DGPS
O modulo DGPS adquirido é um produto especifico e com aplicação fixa
(prover a localização do modulo), desta forma os testes realizados foram de
funcionamento utilizando o software de configuração do próprio fabricante.
O modulo foi inserido diretamente ao computador e conectado na ferramenta do
Google Earth, desta forma foi possível verificar o funcionamento do modulo.
6.1.4. Teste de exaustão
O protótipo foi testado para verificar sua autonomia de energia, através do
monitoramento da carga das baterias, verificando sempre se os componentes estavam
em boas condições físicas e mecânicas. A tabela 10 apresenta os dados do teste de
exaustão, Os dados apresentados são aproximados e seguem um padrão, se comparados
ao gráfico da figura 4.14 na especificação da bateria utilizado no projeto.
Tabela 10 - Tabela de consumo
100 mA 200 mA 300 mA 2 A (Motores
sem carga) 3 A (Motores
com carga)
Circuito X X X X X
Sonar X X X
GPS X X X X
Xbee X X X X
Motores X X
Tempo de carga 45 Horas 30 Horas 15 Horas 2 Horas 1 Hora
Fonte: PRÓPRIA
73
6.1.5. Teste de funcionamento
Para o teste de funcionamento foi necessário definir um ambiente não
controlado. O ambiente escolhido para coleta de dados foi o lado norte do lago da
Universidade Positivo. A Figura 6.3 mostra o local escolhido e o traçado percorrido
durante a coleta dos dados.
Figura 6.3 - Traçado do protótipo durante coleta de profundidades Fonte: PRÓPRIA
O software ViewBot, desenvolvido para monitorar e controlar a embarcação, foi
responsável pelo processamento das informações coletadas. O software apresentou a
superfície, mas como o método utilizado para a plotagem não realiza a interpolação dos
pontos coletados, a superfície apresenta uma série de picos em sua extensão. A figura
6.4 mostra a superfície gerada pelo software ViewBot.
Figura 6.4 - Superfície gerada pelo ViewBot Fonte: PRÓPRIA
74
Para validar a superfície gerada no software os mesmos dados foram importados
para o Microsoft EXCEL, onde foi gerada a superfície parcial com cerca de 50% dos
dados. A figura 6.5 apresenta a superfície gerada pelo Microsoft EXCEL.
Figura 6.5 - Superfície gerada pelo Microsoft EXCEL Fonte: PRÓPRIA
75
7. CONCLUSÃO
O protótipo cumpriu com todos os requisitos especificados inicialmente para o
projeto. O sistema como um todo mostrou ser estável, mas há necessidade melhorias no
software.
O projeto é viável e os resultados foram animadores, pois o objetivo principal foi
alcançado, o desenvolvimento tecnológico a favor da sociedade. Esse projeto pode ser
utilizado para fins de monitoramento de assoreamentos de rios, auxílio na manutenção
de canais marítimos, estimativas de volume de água em grandes reservatórios de água
como represas, entre outras diversas aplicações. Possibilita, também, a previsão de
possíveis áreas de riscos de enchentes.
No decorrer do desenvolvimento desse projeto, notou-se que é possível
aperfeiçoar a coleta dos dados, pois apenas um módulo pode levar muito tempo para
mapear uma grande área, sendo que o ideal seria então dividir as tarefas. Essa divisão
pode ocorrer pelo desenvolvimento de vários robôs batimétricos - ou módulos robóticos
semelhantes ao desenvolvido no projeto – e dividindo em áreas menores o local a ser
mapeado. Cada módulo robótico ficaria responsável por mapear uma determinada área,
formando assim uma rede de robôs, que podem ser coordenados por um único ponto de
controle, caracterizando uma rede mesh. Isso reduziria significativamente o tempo de
leitura de uma determinada área.
76
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