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PPANORAMAANORAMA DE DE RROBÓTICAOBÓTICASSUBMARINAUBMARINA
Alfredo Martins
Laboratório de Sistemas Autónomos Instituto Superior de Engenharia do Porto
http://www.lsa.isep.ipp.pt
Lab. de Sistemas e Tecnologia SubaquáticaFaculdade de Engenharia do Portohttp://www.fe.up.pt/~lsts
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2Panorama de Robótica Submarina
SumárioSumário
Apresentação
Aplicações
Tecnologia actual– ROVs
– AUVs
Sensores e actuadores
Veículos do LSTS
Projecto IES
Missões realizadas
Alguns filmes
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3Panorama de Robótica Submarina
ApresentaçãoApresentação
Alfredo Manuel Oliveira Martins
Docente no Dep. Eng. Electrotécnica do ISEPInvestigador do Lab. Sistemas Autónomos (LSA) do ISEPInvestigador do Lab. Sistemas e Tecnologia Subaquática (LSTS) da FEUPEmail: [email protected]://www.dee.isep.ipp.pt/~amartins
Esta apresentação inclui referências ao trabalho e projectos realizados poruma vasta equipa de pessoas:
Fernando Lobo PereiraJoão Borges de SousaEduardo SilvaJosé Miguel AlmeidaNuno Cruz
Patricia RamosSergio FragaMarcio CorreiaAlexandre SousaAna Cristina Pinto
Anibal MatosJorge EstrelaRui GomesLuís Madureira
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4Panorama de Robótica Submarina
Instituições Instituições de I&Dde I&D
O Laboratório de Sistemas Autónomos do ISEP é uma unidademultidiscipinar do ISEP, orientada para:
– I &D nas àreas de robótica móvel, sistemas “embedded”,sistemas detempo real e observação ambiental.
– Acções de formação– Acçoes de prestação de serviços
O Lab. Sistemas e Tecnologia Subaquática da FEUP é laboratório deinvestigação cuja actividade se insere nas àreas de:
– I&D em,Tecnologia Subaquática– Controlo de Sistemas– Desenvolvimento e operação de veículos subaquáticos– Monitorização ambiental
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5Panorama de Robótica Submarina
CooperaçãoCooperação
Nacional
– Administração dos Portos doDouro e Leixões
– Instituto de CiênciasBiomédicas Abel Salazar
– Instituto Hidrográfico
– Universidade do Algarve
– Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Internacional
– University of California atBerkeley, USA
– Woods Hole OceanographicInstitution, MA, USA
– Naval Postgraduate School,Monterey, CA, USA
– Naval Undersea WarfareCenter, Newport, RI, USA
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6Panorama de Robótica Submarina
MotivaçãoMotivação
A maior parte da superfície do planeta está cobertade águaO mar é a última fronteira inexplorada na TerraExploração de recursos submarinosGestão do meio aquático requer informaçãodetalhada e precisaLimitações físicas à presença do homem (poucaprofundidade e tempos de permanencia no meiosubaquático).Motivação económica, relação desempenho/custo
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7Panorama de Robótica Submarina
Meio SubaquáticoMeio SubaquáticoMeio diversificado, desde bacias hidrográficas a planícies abissais
no oceano
Elevada pressão (10m de água correspondem a 1 atmosfera)
Impossibilidade de comunicações via rádio
Meio ambiente muitas vezes pouco conhecido
Condições ambientais adversas (correntes, ondas, cond.
metereológicas)
Vastas areas a explorar ou observação em pontos geográficamente
dispersos e de difícel acesso
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8Panorama de Robótica Submarina
Solução possívelSolução possível: : robóticarobótica
Vastas superfícies são percorridas por meios
automáticos
Boa relação de custo/desempenho
Redução riscos de segurança
Robots podem actuar em ambientes onde a
presença do homem é virtualmente impossível (por
ex: planícies abissais no oceano ou nucleos de
reatores nucleares
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9Panorama de Robótica Submarina
AplicaçõesAplicações
Observação oceanográfica
Batimetria
Inspecção de estruturas
Arqueologia submarina
Construção de estruturas submersas
Apoio a operação a grande profundidade (porex: exploração petrolífera)
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10Panorama de Robótica Submarina
Tipos Tipos de de sistemassistemas
ROVs (veículos operados remotamente)
AUVs (veículos submarinos autónomos)
Veículos de arrasto (“TOWFISH”)
Sistemas fixos (estações de medição, boiasoceanográficas estações de docagem para AUVs,redes de navegação acústica)
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11Panorama de Robótica Submarina
Sistemas Sistemas de de apoio apoio à à operaçãooperação
Navios de investigação e/ou suporte
Plataformas petrolíferas
Meios de apoio em estruturas fixas
Lanchas ou barcos de pequeno porte
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12Panorama de Robótica Submarina
Veículos Veículos de de ArrastoArrasto
Veículos arrastados por embarcações
Possuem pouco ou nenhum controlo a
bordo
Constituem “caixas” de transporte de
sensores dedicados
Podem ter ou não ligação electrica ao
barco propulsor
Diferentes tipos de sensores
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13Panorama de Robótica Submarina
Sistemas FixosSistemas Fixos
Grande diversidade de sistemas (desde simplessensores até estações de docagem para AUVs)
Fixos no fundo ou a boias
Com ou sem ligação a terra via cabo
Com comunicação via satélite (por ex. sistemaspresos a boias com sistema ARGOS)
Com ou sem armazenamento de dados local
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14Panorama de Robótica Submarina
ROVsROVs
Veículos com um cordão umbilical de ligação
Conduzidos por um piloto em terra ou a bordode um navio
Grande variedade de sistemas desdepequenos veículos (<50kg) até sistemas degrande porte (várias toneladas).
Aplicações: inspeçcão de estruturas– arqueologia submarina– trabalhos subaquáticos
inspecção de reactores nucleares
Eléctricos ou hidraulicos
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15Panorama de Robótica Submarina
ROV’s ROV’s de de InspecçãoInspecçãoRelativamente pequeno porte (<200Kg)
Geralmente de propulsão elécrtica
Operados a partir de terra com umguincho ou de pequenasembarcações
Operação a pequenas profundidades(até 300m)
Sensores tipicos: câmaras e sonares
Exemplos:– ROV IES do LSTS-FEUP– Phantom da Deep Ocean Eng.– Stingray da Benthos– Hydroball da Hydrovision
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16Panorama de Robótica Submarina
ROV’s ROV’s de de IntervençãoIntervençãoGrande porte
Propulsão hidráulica
Operados a partir de navio ouplataforma petrolífera
Operação a grandes profundidades
Equipados com sistemas de actuaçãocomo braços manipuladores, sist. delimpeza, e grande variedade desensores.
Exemplos:– Venom da Hydrovision– Quest da Alstom Schiling– MAX da Deep Sea Systems– Hercules da Haliburton– Triton da Perry Slingsby
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17Panorama de Robótica Submarina
ROV ROV Sistemas Sistemas de de ControloControlo
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18Panorama de Robótica Submarina
AUVsAUVs
Veículos autónomos geralmente semcomunicação durante a operação.
A missão é pré-programada
Aplicações:– Oceanografia– Batimetria– Vigilância e monitorização ambienteal
Propulsão eléctrica
Formato tipo torpedo ou rectangular (“flatfish”)
Com sistema computacional a bordo
Exemplos:– Isurus do LSTS/FEUP– Remus do WHOI– Odissey do MIT– Huggin da Konsberg Simrad– Aries da NPS– OEX da Florida Atlantic Univ.– Martin da Maridan
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19Panorama de Robótica Submarina
AUV AUV ISURUSISURUS
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20Panorama de Robótica Submarina
AUV Aries - AUV Aries - NPSNPS
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21Panorama de Robótica Submarina
AUV AUV Autosub Autosub - UK- UK
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22Panorama de Robótica Submarina
AUVAUV Odissey Odissey - MIT- MIT
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23Panorama de Robótica Submarina
AUV AUV MaridanMaridan
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24Panorama de Robótica Submarina
SensoresSensores
CTD (“Conductivity, Temperature, Depth”) para medição de
condições oceanográficas (salinidade, temperatura etc)
OBS (“Optical Backscatter”) medição de partículas em
suspensão
Fluorímetros
Sistemas de recolha de amostras de água
Sonares de batimetria (altímetros)
Sonares de inspecção (“profiling”)
Sonares de visulização (varrimento)
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25Panorama de Robótica Submarina
Sonar ProfilerSonar Profiler
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26Panorama de Robótica Submarina
Sonar de Sonar de VarrimentoVarrimento ( (sidescansidescan))
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27Panorama de Robótica Submarina
Imagens Sonares SideScanImagens Sonares SideScan
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28Panorama de Robótica Submarina
ActuadoresActuadoresSistemas de propulsão com hélice
Sistemas experimentais com barbatanas (porex. projecto TUNA do MIT)
Braços manipuladores
Sistemas de lavagem e limpeza (por ex. limpezade cascos de navios)
Sistemas de recolha de amostras do fundo
Sistemas dedicados a operações específicas
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29Panorama de Robótica Submarina
ComunicaçõesComunicações
Inexistência de comunicação via rádio
Modems Acústicos– Baixa taxa de transmissão (1200 baud)– Problemas de reflexão acústica– Funcionam melhor na vertical– Relativamente grandes dimensões– Elevado consumo de energia
Existem casos experimentais de comunicaçãovia laser, mas de aplicação muito limitada
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30Panorama de Robótica Submarina
Sistemas Sistemas dede Navegação Navegação
Hodometria a partir da contagem de revoluções do
hélice
Sistemas de navegação inercial (acelerómetros e
giroscópios)
Medição da velocidade do veículo face à àgua (ADV,
rodas de pás)
Sonares de efeito doppler (velocidade em relação ao
fundo)
Sistemas de posicionamento acústico (LBL,USBL)
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31Panorama de Robótica Submarina
Sonares Efeito Sonares Efeito de Dopplerde Doppler
Utilizam o desvio de frequência nasondas sonoras para medir velocidade
Velocidade em relação à àgua
Velocidade em relação ao fundo (“bottomtracking”)
Boa precisão
Consumo considerável
Taxas de amostragem na ordem dos 2 Hz
Sonares de efeito doppler (velocidade emrelação ao fundo)
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32Panorama de Robótica Submarina
Navegação Navegação LBLLBL
LBL - “Long BaseLine”LBL - “Long BaseLine”
Navegação acústica por triangularização acústica entreo veículo e faróis com posições conhecidas
farol acústico
veículo“ping” acústico
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33Panorama de Robótica Submarina
Farol multifrequênciaFarol multifrequência
Para navegação de múltiplos veículos– Receptor e emissor multi-canal– Programação de pares de frequências
Sinais de média frequencia– 20-30 KHz– Alcance superior a 2 km
Baterias não recarregáveis
Electrónica de baixo custo
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34Panorama de Robótica Submarina
BoiaBoia de de SuperfícieSuperfície
Disco de flutuação de baixo custo
– Espuma de poliuretano revestida de fibrade vidro
– Vários diâmetros (0.5 a 3m)
Caixa à prova de água
– Modem radio : alcance 20km, 19,200 baud
– Receptor GPS : erro menor que 5 metros
Estrutura de aço inóxidavel
– Montagem da antena
– (paineis solares)
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35Panorama de Robótica Submarina
Montagem da boiaMontagem da boia
Antena Radio
Caixa à prova de àgua
Poliuretano revestidopor fibra de vidro
Cabo subaquático econector
Cilindro deNylon
Transdutor acústicoCabo para a âncora
Boia
Transpondermultifrequência
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36Panorama de Robótica Submarina
SeguimentoSeguimento externoexterno
Interface para os farois acústicos– estado dos sinais acusticos emitidos e
recebidos– mapa com a posição das boias de
superfície (GPS)– mapa com a posição dos veículos– reconfiguração dos pares de frequência– transmissão de comandos “especiais”
Operação flexível– corre em qualquer PC portátil ligado a
um modem rádio– pode correr em diferentes locais
simultâneamente
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37Panorama de Robótica Submarina
DesempenhoDesempenho dada NavegaçãoNavegação
Exactidão– 2 a 10 metros
Precisão– sobreposição nas duas
passagens
Poucas perdas de sinal
-400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
T#1
T#2
eas t (m)
nort
h (m
)
navigation
tracking
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38Panorama de Robótica Submarina
Controlo Controlo e Softwaree Software
Grande gama de tipos de controladores:– PID (por ex: Remus)– “Sliding Modes” (por ex: NPS Aries)– H infinito (por ex: Marius do IST)
Sistemas operativos– OS9 (Maridan e Marius)– VxWorks (NPS Phoenix)– MS-DOS (WHOI Remus)– QNX (Isurus da FEUP, NPS Aries)
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39Panorama de Robótica Submarina
Veículo Operado RemotamenteVeículo Operado RemotamenteVeículo comercial alterado de origem
– maior carga útil– motores mais potentes– cilindro estanque extra– casco maior– consola de controlo standard– video em TV standard
• Consola de controlo baseada em PC– teleoperação– teleprogramação
• Sistema computacional de bordo– interface com os sensores– controlo de baixo nível– gestão de energia
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40Panorama de Robótica Submarina
AUV ISURUSAUV ISURUS
Navegaçãobússola digitalinclinómetrossensor de pressão (profundidade)transponder acústico bidireccional4 hidrofones para navegação USBL
Características principais1.5 m comp., 20 cm diam.vel. max : 4 nóscarga útil: 5 kgprofundidade max.: 200 mautonomia: até 10 horas2 lemes verticaisl e 2 lemes horizontais1 propulsor (hélice)
SensoresCTDaltímetro acústicosensor de reflexão óptica (backscatter)ADCP, side scan sonar, video
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IESIESInspecçãoInspecção de infra- de infra-estruturasestruturas
submarinassubmarinas
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42Panorama de Robótica Submarina
IES -IES - Descrição Descrição do do projectoprojecto
Concepção e o desenvolvimento de um sistema avançado,fácil de operar e de baixo custo para a inspecção deestruturas sub-aquáticas baseado num Veículo OperadoRemotamente (ROV).
IES é um projecto em colaboração:
Administração dos Portos de Douro e LeixõesFaculdade de Engenharia do PortoInstituto Superior de Engenharia do PortoInstituto de Sistemas e Robótica
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43Panorama de Robótica Submarina
IES - IES - Porto Porto de de LeixõesLeixões
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44Panorama de Robótica Submarina
IES - IES - CenárioCenário de de OperaçãoOperação
-10 m
0 m
4 m
Pilares espaçadosde 7m
Placa de betãoCais
Cortina de estacas-prancha a inspeccionar
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45Panorama de Robótica Submarina
APDL-APDL-Corrosão Corrosão emem estruturas estruturas
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46Panorama de Robótica Submarina
IES -IES - Inovações InovaçõesSist. de computação e de energia a bordo.
Modos de operação:
tele-operação e tele-programação
Navegação integrada
Sistemas de controlo avançado
Controlo baseado em PC
Sistema aberto
Cabo umbilical reduzido
Menor perturbação de drag
Melhor desempenho
Cabo umbilical reduzido
Menor perturbação de drag
Melhor desempenho
Operações automatizadas
Integração posicionamento externo com sensoresinternos
Elevado desempenho de posicionamento econtrolo
Operação sem treino especializado
Funcionalidades de inspecção complexas
Operações automatizadas
Integração posicionamento externo com sensoresinternos
Elevado desempenho de posicionamento econtrolo
Operação sem treino especializado
Funcionalidades de inspecção complexas
Fácil utilização
Custos de desenvolvimento e manutenção reduzidos
Flexibilidade de aplicação
Facilidade de integração de código e de hardware(sensores, actuadores)
Fácil utilização
Custos de desenvolvimento e manutenção reduzidos
Flexibilidade de aplicação
Facilidade de integração de código e de hardware(sensores, actuadores)
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47Panorama de Robótica Submarina
IES -IES - Componentes Componentes do do SistemaSistema
Consola
Sensores deNavegação
Sistema computacional
Dispositivosinterface
Motores Luzes Pan & TiltCamera Sonar ...
Actuatores
ROV Cordãoumbilical
GestãoEnergia
DopplerInércia
Bússola
Inclinação
AcústicaProfund.
Sensores deinspecção
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48Panorama de Robótica Submarina
IES - IES - Navegação AvançadaNavegação Avançada
bússola digital
inclinómetros (“pitch” e“roll”)
sensor de pressão deprecisão
Velocimetro acústicoDoppler
Unidade Naveg. Inercial
Algoritmos avançados defusão sensorial
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49Panorama de Robótica Submarina
IES - IES - Sistema ComputacionalSistema Computacional
stack PC-104
CPU Pentium com
ethernet
Frame Grabber
Comunicções Serie
2-canais CAN
A/D 16 canais
(14 bits, 100KHz)
10GB Hard Disk
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50Panorama de Robótica Submarina
Consola Consola de de operaçãooperação
Interfaceserver
Graphicalinterface 1
Graphicalinterface 2
Textinterface
Internetdeamon
Browser 1
Browser 1
link to/from the vehicle
requests/commandsl
Baixo custoBaixo custo
MultimodalMultimodal
ReconfiguravelReconfiguravel
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51Panorama de Robótica Submarina
Consola Consola de de OperaçãoOperação
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MissõesMissões operacionaisoperacionais
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53Panorama de Robótica Submarina
RecolhaRecolha de de dadodado (R (Rio io MinhoMinho))
• Largura: 1-2 km• Profund.: 2-5 m• Correntes: acima de 1m/s
Missões•Secções (NW-SE) separadas de 500 m• Comprimento: 700-1200 m• Diferentes profundidades• Dados - Temperatura (CTD) - Salinidade (CTD) - Batimetria (Altimetro)
Distribuições de temperatura e salinidade
Nor
th (m
)
Nor
th (m
)
East(m) East(m)
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54Panorama de Robótica Submarina
Tapada Tapada do do OuteiroOuteiro
Tapada do Outeiro CCPP
•Monitorização de impacto de descargas decircuitos refrigeração
Maio 2000 - Temperatura à superfície
Avaliação impacto ambientalAvaliação impacto ambiental das descargas da das descargas da central central da Tapada da Tapada do do OuteiroOuteiro
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55Panorama de Robótica Submarina
MonitorizaçãoMonitorização de de descargas descargas de de efluentes efluentes
S. Jacinto (SIMRIA)V. N. Gaia (Águas de Gaia)Espinho (SIMRIA) Matosinhos (CMM)
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56Panorama de Robótica Submarina