projeto preliminar e otimização da forma de um veículo...
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PROJETO PRELIMINAR E OTIMIZAÇÃO DA FORMA DE UM VEÍCULO
SUBAQUÁTICO AUTÔNOMO PROPELIDO POR VARIAÇÃO DE EMPUXO
Ícaro da Silva Reis
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Naval e Oceânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos necessários à
obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Paulo de Tarso T. Esperança
Coorientador: Marcelo de Araújo Vitola
Rio de Janeiro
Fevereiro, 2019
ii
PROJETO PRELIMINAR E OTIMIZAÇÃO DA FORMA DE UM VEÍCULO
SUBAQUÁTICO AUTÔNOMO PROPELIDO POR VARIAÇÃO DE EMPUXO
Ícaro da Silva Reis
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO
NAVAL E OCEÂNICO.
Examinado por:
_____________________________________________
Prof. Paulo de Tarso T. Esperança, D.Sc. (Orientador)
_____________________________________________
Marcelo de Araújo Vitola, Ph.D (Coorientador)
_____________________________________________
Prof. Carl Horst Albrecht, D.Sc.
_____________________________________________
Prof. José Henrique Sanglard, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
FEVEREIRO de 2019
iii
Reis, Ícaro da Silva
Projeto Preliminar e Otimização da Forma de um
Veículo Subaquático Autônomo propelido por variação de
empuxo/ Ícaro da Silva Reis. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola
Politécnica, 2019.
X, 78 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Paulo de Tarso T. Esperança
Coorientador: Marcelo de Araújo Vitola
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola
Politécnica/ Curso de Engenharia Naval e Oceânica, 2019.
Referências Bibliográficas: p. 78.
1. Metodologia de Projeto. 2. Underwater Glider. 3.
Otimização 4. Blended Wing Body 5. CFD. I. Esperança,
Paulo de Tarso T., orient. II. Vitola, Marcelo Araújo,
coorient. III. Universidade Federal do Rio de Janeiro,
Escola Politécnica, Curso de Engenharia Naval e Oceânica.
IV. Título.
iv
Dedico este trabalho àqueles que, nos bons ou maus
momentos, me incentivaram e estiveram do meu
lado, esperando sempre o melhor de mim. Pai, mãe,
irmã: Amo vocês.
v
Agradecimentos
Agradeço aos meus pais e irmã que viabilizaram, através de muito esforço, a minha
estadia no Rio de Janeiro e em Madri, onde pude buscar a excelência e melhores
oportunidades. Todos esses anos de ausência, no final, valeram a pena. Gildésio, Deisa e
Iana, muito obrigado por acreditarem tanto em mim e por me darem força sempre.
Agradeço à minha família, incluindo tios, primos e avós que sempre me receberam com
sorriso no rosto nas minhas chegadas à Salvador-BA e se despediram com sorrisos,
palavras de força e a expectativa de que eu alcançaria meu objetivo. Um imenso abraço
para vocês.
Agradeço a todos os amigos que fiz durante este percurso até chegar neste momento. A
todos vocês que me fizeram rir, que me confortaram nos momentos difíceis e que me
fizeram crescer como pessoa, meu muito obrigado.
Agradeço, em especial, aos irmãos que a vida me deu. Gabriel, Christian, Thiago, Kelvin,
Marcos, a presença de vocês durante esses anos foi impagável. Que os momentos que
vivemos nunca saiam das nossas lembranças. Com certeza somos melhores pessoas e
engenheiros por nos conhecermos. Que a república Zé Galvão viva sempre em nossos
corações.
Agradeço aos grandes profissionais da Proper Marine pela grande quantidade de
conhecimento que pude adquirir e pelas amizades que fiz durante a minha passagem pela
empresa. Que excelência continue sempre sendo o lema de vocês!
Agradeço aos meus orientadores, Paulo de Tarso e, em especial, ao Marcelo Vitola, que,
com enorme paciência e solicitude me ajudaram a conduzir este trabalho. Foi sempre o
grande prazer trabalhar com vocês e poder aprender tanto.
Agradeço ao povo brasileiro, que contribuiu para a minha formação e estada nesta
Universidade. Espero retribuir o investimento e a confiança que a mim foram atribuídos.
vi
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico.
Projeto Preliminar e Otimização da Forma de um Veículo Subaquático Autônomo
propelido por variação de empuxo
Ícaro da Silva Reis
Fevereiro/2019
Orientador: Paulo de Tarso T. Esperança
Coorientador: Marcelo de Araújo Vitola
Curso: Engenharia Naval e Oceânica
O descomissionamento de diversos poços de petróleo ao redor do mundo tornou
necessária a realização de monitoramento e amostragem de águas em regiões profundas
e ultra profundas do oceano. Embora as tecnologias capazes de realizar este
monitoramento tenham evoluído e amadurecido ao longo dos anos, como é o caso dos
veículos subaquáticos autônomos, ainda são necessários estudos e uma racionalização do
processo de projeto deste tipo de solução.
Neste trabalho, uma metodologia de projeto específica para aplicação e obtenção de um
veículo subaquático autônomo propelido por variação de empuxo, do inglês Autonomous
Underwater Glider, incluindo a otimização da sua forma, do tipo asa voadora, ou do
inglês Blended Wing Body, utilizando como função objetivo o seu raio de ação e tendo
como processos intermediários a parametrização da forma, análises hidrodinâmicas
utilizando CFD, compartimentação, avaliação de equilíbrio e estabilidade, seleção de
todos os sistemas embarcados, dentre outras análises é criada, aplicada e avaliada. Ao
final, obteve-se uma forma otimizada para as premissas de projeto utilizadas e de acordo
com os requisitos e restrições impostos, compartimentada e embarcando todos os
sistemas, equilibrada e estável e com raio de ação satisfatório.
Palavras-chave: Metodologia de Projeto, Underwater Glider, Otimização, Blended-
Wing-Body, CFD
vii
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
PRELIMINARY DESIGN AND SHAPE OPTIMIZATION OF AN AUTONOMOUS
UNDERWATER GLIDER
Ícaro da Silva Reis
February/2019
Advisor: Paulo de Tarso T. Esperança
Co-Advisor: Marcelo de Araújo Vitola
Course: Oceanic and Naval Engineering
The abandonment of several oil wells around the world made it necessary to carry out
water monitoring and sampling in deep and ultra-deep-water regions. Although the
technologies capable of performing this monitoring have been evolved over the last years,
such as Autonomous Underwater Vehicles, further studies about your design process and
rationalization are still required.
In this work, a design methodology for obtaining an Autonomous Underwater Glider is
created, applied and evaluated. The whole process includes blended-wing-body shape
optimization, using gliding range as target function, and intermediate processes such as
shape parametrization, hydrodynamics analyzes using CFD, compartmentation and static
equilibrium/stability evaluation as well as all embedded systems selection, among other
analyzes. At the end of this work it was obtained an optimized shape for the design
premises, according to the requirements and restrictions imposed, compartmentalized and
embedding all system devices, equilibrated and stable and with satisfactory gliding range.
Keywords: Design Methodology, Autonomous Underwater Glider, Optimization,
Blended-Wing-Body, CFD
viii
Sumário
1. Introdução .................................................................................................................. 1
1.1. Contexto ............................................................................................................. 1
1.2. Lacuna ................................................................................................................ 2
1.3. Objetivos ............................................................................................................ 2
1.4. Limitações .......................................................................................................... 2
1.5. Esboço dos capítulos .......................................................................................... 3
2. Revisão Bibliográfica ................................................................................................ 4
2.1. Metodologias de Projeto .................................................................................... 4
2.1.1. O conceito de projeto .............................................................................. 4
2.1.2. Projeto Naval e suas etapas ..................................................................... 4
2.1.3. O processo de projeto ............................................................................. 6
2.1.4. Projeto com foco na solução ................................................................... 9
2.2. Veículos Subaquáticos Autônomos ................................................................. 12
2.2.1. Resumo de funcionamento .................................................................... 14
2.2.2. Sistemas típicos ..................................................................................... 16
2.2.3. Equilíbrio e Estabilidade de objetos submersos ................................... 17
2.2.3.1. Estabilidade intacta de um submersível ............................................ 18
2.2.4. Equações de movimento ....................................................................... 21
3. Metodologia ............................................................................................................. 25
3.1. Parte 1: Metodologia de projeto ....................................................................... 25
3.1.1. Problema de projeto .............................................................................. 25
3.1.2. Premissa de Solução ............................................................................. 27
3.1.3. Proposição de soluções ......................................................................... 27
3.1.4. Requisitos e Restrições de projeto ........................................................ 28
3.1.5. Fatores de projeto .................................................................................. 29
ix
3.1.6. Fluxograma Interativo ........................................................................... 30
3.2. Parte 2: Aplicação da Metodologia .................................................................. 33
3.2.1. Definição dos sistemas embarcados...................................................... 33
3.2.2. Parametrização dos fatores de projeto .................................................. 34
3.2.2.1. Parametrização da Forma .................................................................. 34
3.2.2.2. Setup em CFD e obtenção dos parâmetros hidrodinâmicos .............. 38
3.2.2.3. Parametrização dos sistemas de Governo e de energia ..................... 41
3.2.2.4. Compartimentação/Arranjo ............................................................... 42
3.2.2.5. Estrutura Preliminar .......................................................................... 44
3.2.2.6. Equilíbrio e Estabilidade ................................................................... 46
3.2.3. Modelo de energia e raio de ação ......................................................... 48
3.2.3.1. Consumo do sistema de variação de empuxo.................................... 48
3.2.3.2. Consumo do sistema de governo ....................................................... 49
3.2.3.3. Consumo dos demais sistemas .......................................................... 50
3.2.3.4. Geração de energia solar ................................................................... 51
3.2.3.5. Consumo total e Raio de ação ........................................................... 52
3.2.4. Setup da Otimização ............................................................................. 53
3.2.4.1. SHERPA e HEEDS ........................................................................... 53
3.2.4.2. Variáveis Livres ................................................................................ 54
3.2.4.3. Restrições .......................................................................................... 54
3.2.4.4. Função Objetivo ................................................................................ 55
4. Resultados e Análises .............................................................................................. 56
4.1. Otimização ....................................................................................................... 56
4.1.1. Obtenção do processo e dos parâmetros de otimização ........................ 56
4.1.2. O processo final de otimização ............................................................. 58
4.2. Forma ótima e análise hidrodinâmica .............................................................. 59
4.2.1. Obtenção e análise da Forma ................................................................ 59
x
4.2.2. Análises hidrodinâmicas ....................................................................... 65
4.3. Integração dos sistemas e compartimentação .................................................. 67
4.3.1. Compartimentação Geral ...................................................................... 67
4.3.2. Compartimento Molhado ...................................................................... 67
4.3.3. Compartimento de Energia ................................................................... 68
4.3.4. Compartimento do VBS ........................................................................ 69
4.3.5. Compartimento das asas ....................................................................... 69
4.3.6. Compartimento de eletrônica ................................................................ 70
4.4. Topologia estrutural ......................................................................................... 70
4.5. Equilíbrio e Estabilidade .................................................................................. 71
4.6. Raio de ação e região de operação ................................................................... 73
4.7. Área atendida ................................................................................................... 76
5. Conclusão ................................................................................................................ 77
6. Bibliografia .............................................................................................................. 79
.................................................................................................................. A–1
.................................................................................................................. B–1
.................................................................................................................. C–1
.................................................................................................................. D–1
.................................................................................................................. E–1
................................................................................................................... F–1
.................................................................................................................. G–1
1
Capítulo 1
Introdução
1.1. Contexto
Com o aumento do número de regiões de poços de petróleo descomissionados ou em
processo de descomissionamento ao redor do mundo [1], nasce a necessidade de realizar
o monitoramento efetivo e continuado destas áreas que possuem significativo potencial
poluidor [2], sendo capazes de provocar alterações importantes no ecossistema local e
global.
Cerca de 700 unidades offshore de petróleo e gás estão atualmente programadas para COP
(do inglês, Cessation of Production) [1], dentre as quais 19% estão no Mar do Norte. No
Brasil, estima-se que 74 das 150 unidades offshore serão descomissionadas, e mais 15 a
20 estão com aviso para descomissionamento, a partir de 2020.
Tendo em vista este contexto, destaca-se que, nos últimos anos, um grande esforço tem
sido feito para aprimorar a capacidade de monitoramento e sensoriamento de eventos e
processos químicos, biológicos e físicos que ocorrem no oceano profundo, com o
desenvolvimento de novos sensores e tecnologias [3].
Mais recentemente, o uso de “Autonomous Underwater Gliders (AUG’s)” – Planadores
subaquáticos autônomos, ergueu-se como uma alternativa eficaz à exploração de regiões
oceânicas inócuas – como são os poços de exploração de petróleo em águas profundas,
devido ao seu grande potencial de redução de custos e flexibilidade [4] em comparação
com outras tecnologias existentes, e à sua capacidade de manter-se por longos períodos
sob a superfície, com regime de transmissão de dados em tempo real ou semirreal,
percorrendo rotas que podem chegar a uma faixa de até 40.000 km.
Assim, como solução de monitoramento contínuo e mitigação dos impactos ambientais
que podem ocorrer devido ao vazamento de gás e outros hidrocarbonetos em poços de
petróleo descomissionados, sugere-se, neste escopo, a criação de um AUG portátil capaz
de realizar monitoramento de características químicas e físicas das águas do Mar do
Norte.
2
1.2. Lacuna
Diferentes tipos de Gliders foram desenvolvidos ao redor do mundo. A grande maioria
deles utiliza a variação de empuxo líquido, a movimentação da posição do seu centro de
gravidade e a consequente força de sustentação em suas asas como propulsão [5]. Corpos
de revolução, como cilindros, com asas fixas constituem a configuração mais utilizada
pelos Underwater Gliders (configuração Legacy). Embora possuam baixo arrasto, não
possuem uma boa relação de L/D (“lift-to-drag ratio”) [6], reduzindo o seu raio de ação
e, por isso, de redução de custos. Uma alternativa à configuração Legacy é a chamada
“Blended-Wing-Body ou Flying Wings – Asas Voadoras”. Esta configuração é capaz de
oferecer melhores relações de L/D, com natural aumento do raio de ação, além de
aumento do volume interno e melhor distribuição de peso.
Os “BWB Underwater Gliders – Planadores subaquáticos com forma de asa voadora”
ainda são um novo conceito e estudos complementares devem ser realizados para
entender seu comportamento, problemas de projeto e aplicação.
1.3. Objetivos
Neste escopo, objetiva-se a apresentação, discussão e aplicação da metodologia de projeto
de um “Blended Wing Body Underwater Glider – BWBUG”, contendo a otimização da
sua forma, tendo como função objetivo o seu raio de ação – ou Gliding Range.
Espera-se que uma metodologia sólida e de fácil adaptação para aplicação em futuros
projetos de veículos subaquáticos seja criada e implementada, além da obtenção de um
BWBUG preliminar otimizado para requisitos de projeto como portabilidade e
flexibilidade, com expectativas de desenvolvimento, construção e aplicação em projetos
futuros a serem realizados no LabOceano.
1.4. Limitações
O presente escopo apresenta as etapas e procedimentos do projeto preliminar de um
BWBUG, não devendo o leitor confundi-lo com uma solução final de projeto. Muitas
explorações ainda deverão ser feitas antes de alcançar o nível de projeto de construção.
3
1.5. Esboço dos capítulos
Este escopo foi estruturado da seguinte forma:
• Capítulo 2: No capítulo 2, uma revisão bibliográfica é apresentada, contendo dois
blocos. O primeiro descreve e apresenta as metodologias de projeto utilizadas
como base para o desenvolvimento deste escopo. Em seguida, apresenta-se
características dos AUGs (do inglês, Autonomous Underwater Gliders) e
equações que regem o seu movimento;
• Capítulo 3: O Capítulo 3 é dividido em dois grandes blocos. O primeiro bloco
descreve o processo de obtenção da metodologia de projeto a ser aplicada para a
obtenção de um AUG. Em seguida, apresenta-se os passos da aplicação da
metodologia obtida e da otimização realizada.
• Capítulo 4: O Capítulo 4 apresenta e analisa os resultados obtidos a partir da
aplicação da metodologia desenvolvida e descrita no capítulo 3;
• Capítulo 5: O Capítulo 5 apresenta uma avaliação dos resultados obtidos e
comparação com os objetivos do projeto. Neste capítulo também são realizadas
sugestões importantes para projetos e análises futuras.
4
Capítulo 2
Revisão Bibliográfica
2.1. Metodologias de Projeto
2.1.1. O conceito de projeto
O conceito de projeto remonta à evolução da raça humana. Desde a primeira espécie do
gênero Homo, a capacidade de desenvolver ferramentas que se adequassem às
necessidades mais básicas esteve presente [7] e as características inventivas e engenhosas
eram latentes. Tais capacidades e características, no percurso evolutivo, permitiram que
os predecessores do homem moderno fabricassem artefatos cada vez mais complexos e
úteis. Máquinas, prédios e navios são, então, exemplos de resultados atuais da construção,
no mundo físico tangível, dos pensamentos, ideias e abstrações que outrora habitaram a
mente de um ou mais seres humanos. Ao processo que permeia e conecta estes dois
mundos – o abstrato e o físico, denomina-se projeto.
Nas sociedades artesãs tradicionais, a concepção ou o processo de projetar artefatos não
era efetivamente separado do processo de fabricação [8]. Ou seja, não havia uma atividade
prévia de desenho ou modelagem antes da produção. Já nas sociedades industriais
modernas, o projeto é algo mais claro e definido, manifestando-se, em grande parte das
vezes, como sketches, desenhos, modelos ou por qualquer outro meio que permita a clara
visualização e avaliação prévia do produto ou serviço a ser fabricado/executado.
2.1.2. Projeto Naval e suas etapas
As características comuns de um projeto moderno [9] são:
• Presença de um conjunto de demandas;
• Tempo de execução limitado;
• Clara definição de recursos (limitados, planejados e controlados);
• [...] entrega de um produto ou serviço.
5
O projeto naval atenta-se a todas essas características e incorpora ainda peculiaridades
que o distinguem de projetos denotados como “convencionais”. Grande parte dessas
peculiaridades referem-se à natureza altamente dependente da experiência prévia do
projetista e à abordagem baseada em sistemas que considera uma embarcação como um
sistema complexo, integrando uma variedade de subsistemas e seus componentes,
dedicados a funções diferentes que, muitas vezes, podem divergir em objetivo.
Em geral, as fases de projeto de uma embarcação [10] costumam ser divididas em quatro
macro etapas:
• Projeto Conceitual e análise de viabilidade inicial;
• Projeto Preliminar;
• Projeto Contratual;
• Projeto Detalhado;
As fases i) e ii) formam um loop de projeto que é muitas vezes denotado como Projeto
Básico ou encapsulados na definição geral de Projeto Preliminar. Neste escopo, o
conjunto das fases i) e ii) são denominados Projeto Preliminar.
Projeto preliminar [10] é a fase inicial do projeto na qual, com base nos requisitos do
projeto (ou especificações do armador – empresa/pessoa que solicita a construção do
navio como empreendimento), que usualmente são definidos pela sua missão – ou
problemas a solucionar, as principais características técnicas e econômicas do navio são
determinadas.
No Projeto Preliminar de uma embarcação [10] objetiva-se, sobretudo:
• Definição das dimensões principais da embarcação;
• Desenvolvimento da forma do casco;
• Estimativa do tipo de maquinário principal e auxiliar e potência necessária;
• Projeto de um arranjo geral contendo uma compartimentação preliminar;
• Conhecimento de condições preliminares de equilíbrio e estabilidade.
O projeto contratual é, essencialmente, a continuação e refinamento dos resultados
gerados no projeto preliminar e a sua adequação formal, em especificações técnicas. O
projeto detalhado, por sua vez, é a última fase do projeto e consiste na pormenorização e
expansão de todos os itens do navio em subprojetos para construção, sobretudo
6
estruturais, incluindo informações como demanda de mão-de-obra e
suprimentos/maquinário auxiliares para a construção.
2.1.3. O processo de projeto
Durante todas as fases do projeto, em especial nas fases preliminares, observa-se que o
problema de projeto e a solução ainda não são completamente conhecidos e definidos,
sendo necessário um estudo exploratório inicial capaz de, iterativamente, defini-los. A
esta estrutura inerente do processo de projeto denomina-se problema mal definido, ou mal
estruturado (“ill-structured problems” ou “ill-defined”), como descrito em Cross [8].
Ao contrário do problema bem definido, com ferramentas e procedimentos capazes de
gerar uma resposta clara para um objetivo determinado, nos problemas mal definidos [8]
os objetivos geralmente são vagos e muitas restrições e critérios são desconhecidos,
complexos, desordenados e pouco compreendidos. Neste contexto, o problema é
solucionado a partir de formulações temporárias, instáveis, passíveis de sofrerem
alterações à medida que novas informações são disponibilizadas. Além disso, a forma
como a solução é inicialmente concebida é capaz de alterar a forma como o problema é
concebido em si mesmo. Ou seja, existe uma infinidade de soluções para um mesmo
problema igualmente válidas, classificadas em boas/apropriadas ou más/inapropriadas,
porém nunca como verdadeiras ou falsas.
A Figura 2-1, retirada de Cross [8], ilustra, resumidamente, as relações entre o problema
e solução no processo de projeto.
Figura 2-1 - O processo de projeto
Fonte: [8]
7
Para o projeto de navios, um dos primeiros autores a entenderem a natureza mal definida
do projeto e a necessidade de reavaliar problema e solução iterativamente foi J. H. Evans
[11], em 1959, ao propor uma racionalização geral do processo de projeto, conhecida
como Espiral de Evans, ou Espiral de Projeto – Figura 2-2, que viria a ser o primeiro
grande passo base para os posteriores esforços de fundamentar o processo de projeto
naval.
Figura 2-2 - Espiral de Projeto
Fonte: [10]
8
A espiral estabelece que o projetista deve, a partir de um ponto de partida, que costumam
ser os requisitos do projeto, seguir com a definição das características da embarcação.
Inicialmente, as características são definidas por meio de cálculos estatísticos, estimativas
e aproximações e, à medida que se entra radialmente na espiral, tendo já conhecidas
algumas características preliminares, os valores podem ser calculados de forma mais
precisa. Ao alcançar o centro da espiral, o projeto pode ser detalhado, uma vez que todas
as suas características já são conhecidas.
Embora à época a espiral tenha sido de grande auxílio e, sem dúvidas, sirva como
fundamento para grande parte das teorias de projeto de navio que se produziram
posteriormente, encontra uma dificuldade na representação da interação direta entre as
variáveis do projeto.
Uma das soluções para o problema exposto foi criado por T. Lamb [12] ao organizar o
processo de projeto em um fluxograma linear com interação entre as características ou
fatores de projeto, com uma sequência lógica bem definida e com uma possibilidade de
refinamento de um fator em caso de necessidade de revisão da solução.
Em seguida, Christopher Jones [13] sugeriu um método com meios para resolver o
conflito entre os pensamentos criativo e analítico. Segundo ele, o método é capaz de
reduzir a quantidade de erros de projeto, reprojeto e atrasos, além de tornar possível o
pensamento inovador e imaginativo, permitindo a concepção de projetos mais avançados.
O processo pode ser resumido em três estágios:
• Analise: Lista-se todos os requisitos de projeto (lista aleatória de fatores),
classificando-os e reduzindo-os a um compilado de especificações de
desempenho (“P-Specs”);
• Síntese: Busca-se possíveis soluções para cada especificação de desempenho
e a criação de um projeto integrando todas as soluções concebidas;
• Avaliação: Avalia-se a precisão com que as alternativas atendem às
especificações de desempenho;
9
2.1.4. Projeto com foco na solução
Ao sintetizar todas as metodologias de projeto descritas até aqui, Schachter et. al [14]
concluíram que o processo de projeto deveria permitir a inserção de ideias criativas no
projeto preliminar do navio, sequenciando e racionalizando “a busca de ferramentas e
conhecimento, organização e classificação de atividades e parâmetros [...], além do
próprio processo de projeto”. A este processo chama-se de Projeto com foco na solução,
ou SFD (do inglês, Sulution Focused Design).
A Figura 2-3 ilustra as diferenças entre o processo de projeto tradicional, com resolução
do problema por análise, e o processo SFD proposto. As principais diferenças tangem à
inserção de uma sessão de brainstorming durante a fase analítica e a utilização de esboços
(sketching) como uma ferramenta para exploração das soluções e listagem das
especificações de desempenho (P-Specs) e dos fatores de projeto.
Figura 2-3 – Comparação SFD e métodos tradicionais
Fonte: [14]
Ao agregar o caráter iterativo da espiral de Evans e as interações diretas e indiretas entre
os fatores de projeto são gerados o fluxograma interativo e a matriz de interação (como
mencionado em C. Jones [13]). O resultado final é uma metodologia capaz de conceber a
solução para um problema de projeto proposto. A Figura 2-4 mostra um exemplo didático
do fluxograma interativo gerado pela metodologia SFD.
10
Figura 2-4 - Fluxograma Interativo
Fonte: [14]
No fluxograma, os blocos em negrito são fatores de projetos, elencados na fase de Síntese
– Análise (Brainstorming). Os blocos em leque descrevem atividades que devem ser
realizadas e que definem os fatores de projeto. Os fatores são classificados de acordo com
conformações analíticas e tem classificação análoga a otimização [14], podendo ser:
Variável Livre (Input): parâmetros de entrada modificáveis;
Especificação de desempenho (P): parâmetros a serem otimizados, como custo,
resistência ao avanço, propulsão;
Configuração (C): fatores que requerem julgamento humano para decisões de projeto no
processo, como arranjos e layouts e outros que envolvem proporções, estética, ergonomia
e etc [14];
Restrição (R): fatores de natureza restritiva/limitante. Esses fatores devem ser avaliados
ao final de um ciclo. Seus valores devem estar dentro de uma faixa admissível.
Eventualmente, podem existir fatores de restrição divergentes entre si.;
Funcional (F): fatores de natureza funcional apenas. Em geral, servem para traduzir
configurações em valores a serem utilizados como entradas para outros fatores de projeto.
11
Percebe-se que a configuração do fluxograma não tem linearidades. Isto é, qualquer fator
de projeto pode ser um ponto de partida e todas as interações entre os fatores são claras,
bem como as iterações análogas à espiral de Evans. A utilização deste fluxograma auxilia
na identificação da interdependência entre os fatores e das atividades que podem ser
realizadas em paralelo, facilitando a divisão de grupos de trabalho. As iterações são
representadas por entradas e saídas dos e para cada um dos fatores de projeto. As
interações são úteis à hora de definir caminhos no processo de projeto em caso de falha
nos critérios ou necessidade de otimização de algum fator.
Em suma, entende-se que a atividade de projetar uma embarcação é uma tarefa complexa,
mal definida, que deve ser planejada e racionalizada, sem perder, entretanto, seu teor
inovativo e criativo, sendo, do ponto de vista de aprendizado para um Engenheiro Naval,
de grande importância, requerendo conhecimento e organização para a execução das
tarefas. Projetar é a arte de tornar ambos os lados do cérebro aliados poderosos, capazes
de gerar resultados ilimitados e resolver os mais diversos problemas.
12
2.2. Veículos Subaquáticos Autônomos
Os veículos subaquáticos autônomos (AUV’s, do inglês Autonomous Underwater
Vehicles) podem ser classificados de acordo com a sua forma de propulsão. Em geral,
existem três categorias:
• Veículos com motorização ativa;
• Veículos sem motorização ativa;
• Veículos Híbridos;
Os gliders (também chamado AUG’s, do inglês Autonomous Underwater Gliders) são
veículos pertencentes à segunda classificação de AUVs, capazes de realizar planeio
subaquático a partir da alteração de empuxo, utilizando para isto tanques e bombas
internos [15], sem emprego de nenhum hélice. Os AUG’s existentes possuem, em sua
maioria, asa externa fixa e caudas e são controlados a partir da variação da posição de
massas internas e/ou utilização de superfícies de controle como lemes e ailerons, partes
móveis no bordo de fuga das asas.
As características mais importantes de um AUG do ponto de vista de aplicações navais
submarinas são [5]:
a) Plataforma subaquática, passando maior parte do tempo de operação abaixo da
superfície;
b) Grande autonomia que o permite realizar tarefas de longo alcance ou
patrulhamentos em área demarcada;
c) Discrição, com navegação silenciosa (por não usar propulsores), mínima geração
de esteira e baixa seção transversal acústica;
d) Dimensões flexíveis, existindo os de grandes dimensões e os de pequena
dimensão;
e) Capacidade de realizar atividades nas quais se requer grande variação de
profundidade;
f) Capacidade de recuperar a energia do ambiente em que atuam, como a dos
gradientes de temperatura, das correntes oceânicas, das ondas e da radiação solar;
Dadas as suas características, os AUG’s são amplamente utilizados em tarefas de
sensoriamento remoto para oceanografia [15]. Podem também ser utilizados como pontes
de comunicação ou navegação e em aplicações militares, como oceanografia tática e
13
reconhecimento marítimo, além de monitoramento da fauna marítima, monitoramento de
poluição a grandes profundidades, patrulhamento de costas, dentro outros.
Dois dos principais métodos existentes de amostragem dos oceanos “concorrentes” do
AUG são navios e dispositivos ancorados. Os navios possuem alto custo operacional e
são limitados em número e disponibilidade [15]. Os dispositivos ancorados são capazes
de fornecer dados apenas em uma localização fixa. Dito isto, as principais vantagens da
utilização de AUG’s sobre os métodos existentes de sensoriamento dos oceanos são [15]:
a) Possuem baixo custo de operação;
b) Oferecem ótima qualidade de amostragem;
c) São mais flexíveis que outros métodos existentes;
d) Podem ser operados em grupos coordenados;
Exemplos dos gliders mais utilizados na atualidade são mostrados na Figura 2-5.
Figura 2-5 - 1) Spray, 2) Seaglider, 3) Slocum Glider
Fonte: [3]
14
2.2.1. Resumo de funcionamento
Para ser capaz de consumir pouca energia e, consequentemente, navegar por longas
distâncias, o AUG utiliza atuadores internos para variar o seu empuxo líquido1, o que, por
conta da força de sustentação gerada pelas suas asas fixas durante o deslocamento
vertical, faz com que sua trajetória assuma um padrão mostrado na Figura 2-6.
Figura 2-6 - Padrão de deslocamento de um AUG
Fonte: IEEE Earthzine [16]
As duas principais maneiras utilizadas para alterar o empuxo líquido são [17]:
Alterar a massa interna, mantendo volume inalterado;
Alterar o volume deslocado, mantendo a massa interna inalterada;
Para alterar a massa interna recorre-se à utilização de sistemas de lastro, capazes de
bombear água de dentro para fora do veículo e vice-versa. Nesta configuração são
precisos, basicamente, tanques, válvulas e bombas.
Para alterar o volume deslocado, mantendo a massa interna inalterada, são comumente
utilizados sistemas hidráulicos com reservatórios e bombas para encher e esvaziar um
diafragma contido em uma porção molhada (inundada) do veículo. Este tipo de
configuração, mais utilizado por veículos portáteis, apresenta melhor eficiência, que
1 Considera-se empuxo líquido δE = 𝑃 − 𝐸, onde P é o peso total do veículo e E é o seu empuxo total.
Mais detalhes serão dados na seção 2.2.4.
15
usualmente aumenta com a profundidade [18], sendo ainda capaz de recuperar parte da
energia despendida durante a operação [19].
Figura 2-7 - Sistema hidráulico de variação de empuxo
Fonte: [5]
Em resumo, o dispositivo capaz de alterar o volume deslocado do veículo, como
mencionado e mostrado na Figura 2-7, funciona de acordo com as seguintes etapas:
• Começo do ciclo de mergulho: abre-se a válvula e o vácuo mantido dentro
do casco faz com que o óleo passe do diafragma externo para o reservatório
interno. O peso torna-se maior que o empuxo e o veículo submerge;
• Apogeu: após a chegada do veículo na profundidade de operação, a bomba de
alta pressão bombeia o óleo do reservatório interno de volta para o diafragma
externo, aumentando o volume deslocado do veículo e, consequentemente o
empuxo.
• Fim do ciclo: ao chegar à superfície, o peso e o empuxo se igualam e o veículo
entra em fase de comunicação para recebimento de novas instruções e envio
de informações de localização;
Entendido o funcionamento dos gliders ficam claras algumas de suas limitações [5]:
a) Incapacidade de deslocar-se mantendo a mesma profundidade;
b) Restrição na manutenção da posição próximo à superfície ou ao leito marinho;
c) Suscetível a fortes correntes, podendo entrar em deriva;
d) Suscetível a ações da fauna (mordida de animais e etc);
16
2.2.2. Sistemas típicos
Para que o veículo possa realizar as atividades para as quais foi projetado são necessários,
além do sistema de variação de empuxo descrito na seção anterior (VBS, do inglês
Variable Ballast System ou VBD, do inglês Variable Ballast Device), os sistemas
responsáveis por garantir a sua operabilidade e os sistemas que se configuram como carga
paga (payload), específicos para cada missão [5]. Uma lista resumida com uma breve
descrição de cada sistema pode ser vista abaixo:
a) Sistema de navegação: grande parte dos gliders atuais navegam sob o sistema de
dead reckoning [5], quando são conhecidos uma posição inicial e o trajeto
desejado. A posição atual, durante a navegação, é calculada utilizando
informações de direção fornecidas pelo sistema inercial de navegação. Durante as
emersões para comunicação, em cada ciclo de planeio, o veículo recebe a posição
real atual utilizando GPS e corrige a sua direção para chegar aos pontos de
interesse (waypoints) do trajeto previamente estabelecido. Quanto maiores as
informações sobre velocidade e direção, portanto, melhores são as estimativas de
posição e mais acurada é a navegação do veículo. Em geral utiliza-se, além do
GPS, sensores inerciais (IMU, do inglês Inertial Measurement Unit) e, em caso
de necessidade de maior precisão na navegação, DVL’s (do inglês Doppler
Velocity Log), para dados acurados de velocidade.
b) Sistema de controle: o controle mais comum do glider é realizado a partir da
atuação em três dos seis graus de liberdade do veículo [5], análogos aos mostrados
na Figura 2-8. Os sistemas de arfagem (pitch) e jogo (roll) consistem,
basicamente, de massas móveis internas capazes de modificar o centro de
gravidade do veículo. Ao mover uma massa longitudinalmente ocorre uma
mudança no centro de gravidade longitudinal, causando uma rotação denominada
pitch. Caso a massa seja movida transversalmente, ocorre o roll. O afundamento
(heave) ocorre quando há variação das forças verticais atuando sobre o veículo
(empuxo e peso), principalmente através do VBD.
17
Figura 2-8 - Definição geral das coordenadas de um veículo subaquático
Fonte: [20]
c) Sistema de comunicação: consiste, essencialmente, no conjunto dos elementos
responsáveis por conectar o veículo a um operador/monitorador e/ou transmitir
dados. A transmissão pode ser realizada a partir de ondas acústicas,
radiofrequência ou sinais de satélite. Grande parte dos gliders embarcam
diferentes dispositivos com variados protocolos de comunicação, como Wi-Fi,
ARGOS e IRIDIUM. Em caso de indisponibilidade de algum dos protocolos,
utilizam-se os alternativos.
d) Sistemas de payload: são os conjuntos de dispositivos e sensores específicos para
a missão desejada. Os sensores mais comuns são os passivos magnéticos, os de
campo elétrico, os sensores óticos (câmeras e etc), os sensores químicos, CTD’s
e os acústicos.
2.2.3. Equilíbrio e Estabilidade de objetos submersos
Assim como qualquer objeto total ou parcialmente imerso em um fluido, um veículo
submersível respeita o princípio de Arquimedes, que determina que uma força vertical
denominada empuxo atua sobre o seu corpo com valor igual ao peso do volume de fluído
deslocado (deslocamento) [21], como mostra a Equação (2.1).
𝐸 = 𝜌𝑔∇𝑑𝑒𝑠𝑙 (2.1)
18
sendo 𝜌 a massa específica do fluido, 𝑔 a aceleração da gravidade e ∇𝑑𝑒𝑠𝑙 o volume do
fluido deslocado.
Para objetos não imersos totalmente em água, como o caso de navios e plataformas,
sempre haverá reserva de flutuabilidade. Ou seja, o volume estanque total do corpo é
menor que o volume do fluído deslocado. Por isso, em condições intactas, o balanço de
forças verticais (peso – empuxo) será sempre nulo [21] e o empuxo aumentará com o
calado da embarcação.
Para o caso de um objeto totalmente submerso, o volume imerso não pode ser aumentado
com um aumento do calado. Por isso, para equilíbrio vertical, o peso total do veículo deve
ser exatamente igual ao empuxo, tarefa quase impossível de se realizar [21]. Isto resulta
na construção de veículos que possuem, em geral, flutuabilidade levemente positiva.
Assim, imediatamente após o seu lançamento na água (ou em caso de falhas nos sistemas)
o veículo deverá flutuar com pequena porção do seu casco emersa.
A flutuabilidade de um veículo submerso é bastante sensível aos parâmetros físicos e
químicos da água que possam alterar a sua massa específica [6] como salinidade e
temperatura ou as características do casco, como pressão (devido ao fator de
compressibilidade).
2.2.3.1. Estabilidade intacta de um submersível
Quando um corpo submerge, a área denominada área de linha d’água desaparece. Uma
vez que não há contato do corpo com a superfície livre, não existe momento de área de
linha d’água e portanto, o raio metacêntrico é nulo. Isso pode ser facilmente demonstrado
pelas equações (2.2) a (2.5) e Figura 2-9:
Figura 2-9 – Posição da quilha (K), centro de gravidade (G) e centro de carena (B)
19
𝐾𝑀𝑡 = 𝐾𝐵 + 𝐵𝑀𝑡 (2.2)
𝐵𝑀𝑡 =𝐼𝐴𝑤𝑡
∇𝑑𝑒𝑠𝑙 (2.3)
Como a inércia da área de linha d’água transversal 𝐼𝐴𝑤𝑡 é nula, a distância 𝐵𝑀 também é
nula e, portanto, a altura metacêntrica dada por:
𝐺𝑀𝑡 = 𝐾𝐵 + 𝐵𝑀𝑡 − 𝐾𝐺 (2.4)
é reduzido a:
𝐺𝑀𝑡 = 𝐾𝐵 − 𝐾𝐺 = 𝐵𝐺 (2.5)
Uma segunda implicação importante da inexistência de área de linha d’água é que a
estabilidade inicial longitudinal tem as mesmas características que a estabilidade inicial
transversal. Por isso:
𝐺𝑀𝐿 = 𝐵𝐺 (2.6)
Assim, para um submersível ser transversalmente e longitudinalmente estável, o centro
de carena (ou centro de empuxo) deve estar localizado verticalmente acima do centro de
gravidade. Neste caso, se o submersível é adernado de um pequeno ângulo, haverá um
momento de restauração capaz de retorná-lo para a posição vertical. Caso contrário, se o
centro de gravidade estiver localizado acima do centro de carena (também chamado de
centro de empuxo), a aplicação de qualquer momento externo irá resultar em um
adernamento progressivo, como mostrado na Figura 2-10. No primeiro caso diz-se que o
submersível é estável, no segundo, diz-se que ele é instável.
Figura 2-10 - Estabilidade Transversal – Estabilidade positiva e negativa, respectivamente
Fonte: Autor
20
Assim, a medida de estabilidade transversal pode ser dada pela distância 𝐵𝐺 [6]. Um
valor positivo de 𝐵𝐺 é necessário para garantir a estabilidade de um submersível. Além
disso, como visto na Figura 2-11, do triângulo 𝐵𝐺�̂� pode-se concluir que o braço de
endireitamento 𝐺𝑍 é dado por:
𝐺𝑍 = 𝐵𝐺 𝑠𝑒𝑛(𝜃) (2.7)
Figura 2-11 - Braço de endireitamento GZ
A equação (2.7) é válida para qualquer corpo submerso, em todas as condições [21].
Portanto, a curva de estabilidade estática para submersíveis é similar à apresentada na
Figura 2-12.
Figura 2-12 - Curva de Estabilidade Intacta, Retirada de [6], traduzida pelo autor
Tendo como principais características:
21
• Faixa de estabilidade: A faixa de ângulos de banda para os quais o submersível
é estável varia de 0-180º;
• Ângulo de máximo braço de endireitamento. O ângulo no qual ocorre maior
momento de endireitamento é igual a 90º;
• Máximo braço de endireitamento: O máximo braço de endireitamento é igual à
distância 𝐵𝐺;
• Estabilidade dinâmica: A energia requerida para mover o submersível
lentamente entre os ângulos de banda é dado por
𝐸𝑠𝑡 = Δ𝑑𝑒𝑠𝑙𝐵𝐺 ∫ 𝑠𝑒𝑛 𝜃 𝑑𝜃 = 2. Δ𝑑𝑒𝑠𝑙𝐵𝐺180
0
(2.8)
2.2.4. Equações de movimento
Nesta seção serão apresentadas as principais equações que regem o movimento de planeio
utilizando os conceitos apresentados nas seções anteriores. As equações apresentadas
aqui foram desenvolvidas em Graver [15].
Como as equações de movimento gerais são bastante extensas, serão apresentadas apenas
as equações para regime permanente (steady state), consideradas suficientes para
aplicação neste trabalho, uma vez que a maior parte do perfil operacional dos gliders
ocorre neste regime, que possui maior eficiência de planeio e menor consumo energético
[15]. As equações apresentadas consideram que o veículo está confinado a um plano
vertical, como mostra a Figura 2-13. Os movimentos que ocorrem em outros planos são
estabilizados, normalmente, através do uso de superfícies de controle, como lemes, que
não serão discutidos.
Figura 2-13 - Planeio no Plano Vertical
Fonte: [15]
O referencial inercial utilizado é análogo ao apresentado na Figura 2-14 e é representado
por Ε − 𝜉𝜂𝜁, com origem em E, 𝐸 − 𝜁 apontando verticalmente para o centro da terra. O
22
referencial local é representado por 𝐵 − 𝑥𝑦𝑧, com a origem B localizada no centro de
carena do veículo, 𝐵 − 𝑥, 𝐵 − 𝑦 𝑒 𝐵 − 𝑧 são organizados de acordo com a regra da mão
direita, apontando, respectivamente, para a proa-boreste do veículo. Denota-se, ainda, 𝛾
como sendo o ângulo de planeio, 𝛼 como sendo o ângulo de ataque e 𝜃 o ângulo de pitch.
U é a velocidade de planeio, L e D são, respectivamente, a sustentação (Lift) e arrasto
(Drag) agindo sobre o corpo, 𝑀 é o momento hidrodinâmico e Δ𝐵 é o empuxo líquido.
Adota-se 𝛾, 𝜃 negativos e 𝛼 positivo para quando o veículo está movendo-se para baixo
e vice-versa.
Figura 2-14 – Referenciais e Forças no plano vertical
Tem-se, portanto [22]:
𝛾 = 𝜃 − 𝛼 (2.9)
𝛿𝐸 = 𝑃 − 𝐸 (2.10)
tan|𝛾| =ℎ
𝐷ℎ (2.11)
𝛿𝐸 𝑐𝑜𝑠(𝛾) = −𝐿 (2.12)
𝛿𝐸 𝑠𝑒𝑛(𝛾) = −𝐷 (2.13)
𝑥𝐺 cos(𝜃) + 𝑦𝐺 . cos(𝜃) =𝑀
𝑃 (2.14)
sendo P a massa líquida do glider, E o empuxo, 𝑥𝐺 e 𝑦𝐺 as coordenadas do centro de
gravidade no referencial local, h a profundidade de planeio e 𝐷𝐻 a distância horizontal do
planeio, como ilustrado na Figura 2-15.
23
Figura 2-15 - Planeio em regime permanente
Fonte: [22]
Ainda, de acordo com Graver [15], o arrasto, sustentação e momento hidrodinâmicos
podem ser modelados como:
𝐷 = −(𝐾𝐷0 + 𝐾𝐷𝛼2)𝑈2 = −1
2𝐶𝐷𝜌ΩU2 (2.15)
𝐿 = −(𝐾𝐿0 + 𝐾𝐿𝛼)𝑈2 = −1
2𝐶𝐿𝜌ΩU2 (2.16)
𝑀 = −(𝐾𝑀0 + 𝐾𝑀𝛼)𝑈2 = = −1
2𝐶𝑀𝜌ΩlcU2 (2.17)
sendo 𝐾𝐷0 e 𝐾𝐷 as constantes hidrodinâmicas que interpolam a curva do coeficiente
adimensional de arrasto 𝐶𝐷 em função do ângulo de ataque 𝛼, área molhada Ω e massa
específica do meio fluido 𝜌. 𝐾𝐿0 e 𝐾𝐿 são as constantes de sustentação e 𝐾𝑀0 e 𝐾𝑀 as
constantes de momento no plano vertical. 𝐶𝐷 , 𝐶𝐿 𝑒 𝐶𝑀 são os coeficientes adimensionais
de arrasto, sustentação e momento, respectivamente e 𝑙𝑐 o comprimento característico
utilizado para a obtenção do momento M a partir do coeficiente 𝐶𝑀.
Das equações (2.9) a (2.17) e considerando a equação (2.18), que aplica transformação
de coordenadas às forças de sustentação e arrasto:
[0
𝛿𝐸] = [
cos 𝛾 sin 𝛾−sin 𝛾 cos 𝛾
] [𝐷𝐿
] (2.18)
pode-se concluir que o ângulo de planeio 𝛾, em condição de estado permanente, deve
estar em um intervalo tal que [15]:
24
𝛾 𝜖 (tan−1 (2.𝐾𝐷
𝐾𝐿(
𝐾𝐿0
𝐾𝐿+ √(
𝐾𝐿0
𝐾𝐿)
2
+𝐾𝐷0
𝐾𝐷)) ,
𝜋
2 ) (2.19)
⋃
𝛾 𝜖 (−𝜋
2, tan−1 (2.
𝐾𝐷
𝐾𝐿(
𝐾𝐿0
𝐾𝐿− √(
𝐾𝐿0
𝐾𝐿)
2
+𝐾𝐷0
𝐾𝐷))) (2.20)
Isso ocorre porque, para que haja equilíbrio de forças e, consequentemente, planeio em
regime permanente, o ângulo de planeio deve ser tal que permita uma determinada relação
de sustentação/arrasto (lift/drag ou L/D), dados os parâmetros hidrodinâmicos da forma.
Das equações anteriores pode-se obter o ângulo de ataque 𝛼:
𝛼 =1
2(
𝐾𝐿
𝐾𝐷) 𝑡𝑎𝑛(𝛾) (−1 + √1 − 4 (
𝐾𝐷
𝐾𝐿2) cot γ (KD0 cot 𝛾 + 𝐾𝐿0)) (2.21)
A velocidade de planeio U pode ser expressa, então, como:
𝑈 = √𝛿𝐸𝑐𝑜𝑠 𝛾
𝐾𝐿0 + 𝐾𝐿𝛼 (2.22)
E, finalmente:
𝛿𝐸 =𝑈2(𝐾𝐿0 + 𝐾𝐿𝛼)
cos 𝛾 (2.23)
25
Capítulo 3
Metodologia
Este escopo foi desenvolvido em duas grandes etapas. A primeira refere-se ao estudo de
um problema de projeto e o desenvolvimento de uma metodologia, baseada na abordagem
de SFD, como descrito no capítulo anterior, aplicada sob a ótica da espiral de projeto [11]
e atividades de síntese/análise apresentadas em C. Jones [13] para solucioná-lo. A
segunda trata da aplicação da metodologia desenvolvida e da obtenção de uma solução
de projeto que se adeque aos requisitos e à missão definidos previamente. As seguintes
seções descrevem os passos e procedimentos utilizados para obtenção de uma
metodologia de projeto sólida e adaptável para aplicação em futuros projetos de veículos
subaquáticos.
3.1. Parte 1: Metodologia de projeto
3.1.1. Problema de projeto
Como já mencionado no capítulo 2, um projeto surge para suprir demandas que surgem
da necessidade de um grupo de indivíduos ou da sociedade. Dessas necessidades surgem
requisitos que se adequam a um cenário. No caso deste projeto, o problema pode ser
resumido em uma frase:
“Poços abandonados de óleo e gás no mar do norte podem ser uma
fonte significativa de emissões de metano [...] e essas emissões [...] não
estão sendo monitoradas atualmente.” [2]
Esclarece-se, da frase citada, a necessidade de desenvolver uma solução de
monitoramento de campos de óleo e gás abandonados ou descomissionados no Mar do
Norte. Estende-se, ainda, a necessidade de realizar monitoramento dos campos com
previsão de descomissionamento para os próximos anos, já que cerca de 700 unidades
offshore de petróleo e gás estão atualmente programadas para COP (do inglês, Cessation
of Production), dentre as quais 19% estão no Mar do Norte [1]. No Brasil, estima-se que
74 das 150 unidades offshore serão descomissionadas, e mais 15 a 20 estão com aviso
para descomissionamento, a partir de 2020.
26
Entendida a necessidade, caracteriza-se e especifica-se tecnicamente o problema. Como
grande parte dos descomissionamento deverá ocorrer, nos próximos anos, em campos
abandonados anteriormente operados por plataformas fixas (jack-ups) no Mar do Norte,
lista-se:
• As plataformas fixas são normalmente operadas na plataforma continental, com
profundidades que chegam a 500 metros [23];
Figura 3-1 - Plataformas por profundidade de operação
Fonte: [23]
• De acordo com Watkins [24], a lâmina d’água média dos campos de óleo e gás no
Reino Unido é de aproximadamente 126m, com a grande maioria situando-se
entre 70 e 170 metros. Na Noruega, a lâmina d’água média chega a 140 metros,
com a grande maioria dos campos localizados entre 70 e 300 metros;
• O Mar do Norte possui 970 km x 580 km de extensão e salinidade entre 34 a 36g/L
e corrente de maré com amplitude de 0-8m, semidiurna [25];
• O Mar do Norte apresenta correntes superficiais de até 0.25m/s [26];
Caracterizado o cenário no qual o problema de projeto está inserido, propõe-se soluções
possíveis, utilizando pensamento criativo, principalmente com a adoção de esboços
(sketchs), a serem avaliadas e comparadas. A seção a seguir trata da metodologia de
proposição das soluções para o problema apresentado.
27
3.1.2. Premissa de Solução
A solução para o problema de projeto apresentado até aqui pode ser resumida como:
Criação de um dispositivo portátil e autônomo capaz de realizar monitoramento de
características químicas e físicas das águas no Mar do Norte a uma profundidade de
até 500 metros e realizar captação de imagens caso alterações nestas características
sejam notadas, com velocidades superiores a 0,25m/s (para não sofrer com os efeitos de
deriva (drift) devido às correntes superficiais) e raio de ação de, pelo menos, 580 km
(capaz de cruzar o Mar do Norte).
3.1.3. Proposição de soluções
As principais soluções para o problema proposto são [4]:
• Utilização de navios oceanográficos para realização de amostragens, a
diferentes profundidades, nas regiões de poços descomissionados no Mar do
Norte;
• Utilização de um conjunto de dispositivos ancorados (fixed mooring);
• Utilização de boias/dispositivos do tipo ALACE [27];
• Utilização de AUVs propelidos;
• Utilização de AUGs
A Tabela 3-1, traduzida e adaptada de J. Barth et al [4], resume as principais
características das soluções disponíveis. Percebe-se que os AUG’s se apresentam como
bons solucionadores do problema de projeto exposto, com baixos custos operacionais,
flexibilidade e boa acurácia na amostragem das características físicas, químicas e
biológicas da água, além de boa navegação. De acordo com J. Barth et al [4], a economia
feita pelo uso de AUGs em comparação com o uso de navios oceanográficos, por
exemplo, pode chegar a US$55 milhões para 3500 dias de operação. As boias do tipo
ALACE, por outro lado, apesar de possuírem custos menores, são muito suscetíveis às
correntes oceânicas e a sua posição não pode ser controlada remotamente, como no caso
dos gliders.
28
Tabela 3-1 - Comparação das soluções, RV é resolução vertical da amostragem e RH a resolução horizontal
Fonte: [4]
De acordo com S. Jenkins et al [5] e C. Sun et al [22], os gliders com forma de asa
voadora, ou BWBUGs (do inglês, Blended-Wing-Body Underwater Gliders) possuem
boa performance hidrodinâmica, com alta razão de L/D, capazes de alcançar boas
autonomias mesmo em atuação em águas rasas, possuem maior espaço interno, que
possibilita o embarque de mais carga paga (payload) e uma melhor distribuição de peso.
Além disso, estudos sobre os BWBUGs ainda são incipientes e incentiva-se a utilização
dessa configuração em aplicações práticas. Assim, decidiu-se utilizar um BWBUG para
solução do problema de projeto.
3.1.4. Requisitos e Restrições de projeto
Organizando o exposto nas seções anteriores em tópicos, tem-se um conjunto de
requisitos e restrições de projeto:
Portabilidade: para que os processos de lançamento e recuperação do veículo
sejam simplificados, optou-se pela limitação das dimensões do glider.
Objetivamente, definiu-se que o veículo deve ser lançado e recuperado a partir de
um bote com dimensões na “região de carga” de 2.4m comprimento por 1.6m
de largura e capacidade para 3 pessoas (além do glider), similares ao mostrado
na Figura 3-2. Dado o tipo de lançamento requerido, o peso do veículo também
deve ser limitado. A ACGIH (do inglês, American Conference of Governmental
Industrial Hygienists), entidade que determina limites de tolerância de peso
levantados por um trabalhador, estipula como aceitável 32kg [28]. Assim,
Solução Custo (relativo) Profundidade RV RH Autonomia Vantagens Únicas
Navio Oceanográfico $$$$ 0-400m Alta Alta 30 dias
Amostragem 3D,
altas velocidades,
payload flexível
Fixed Mooring $$$ máxima Baixa Muito Baixa 1-2 anosLongas séries
Eulerianas
Glider $$ 0-2500m Alta Alta até 6 meses
Autonomia
combinada à alta
resolução e boa
navegação
AUV propelido $$$ 0-200m Alta Alta 1-2 dias Navegação Precisa
ALACE $ 0-1500m Alta Baixa 1-3 anos
Baixo custo,
Natureza
Lagrangiana
29
considerando uma tripulação de lançamento de 3 pessoas, o peso máximo de
lançamento e recuperação veículo fica definido como 96kg;
Figura 3-2 - Bote utilizado para lançamento do veículo
Fonte: [29]
a) Payload; O veículo deve possuir, além dos sistemas necessários para a sua correta
operação, pelo menos um sensor capaz de identificar a dissolução de
hidrocarboneto na água;
b) Velocidade: O veículo deve possuir velocidade superior a 0.25m/s (~0.5 nós) para
não sofrer ou mitigar os efeitos de drift;
c) Profundidade: O veículo deve ser capaz de operar a profundidades de até 500m;
d) Autonomia: O veículo deve possuir autonomia de, pelo menos, 580km.
e) Flexibilidade: Para aprimorar a flexibilidade do veículo, tornando-o capaz de
realizar tarefas diversas, o veículo deve possuir sistema de geração de energia
solar e câmeras de monitoramento.
3.1.5. Fatores de projeto
Os fatores do projeto foram definidos de acordo com expectativas que relacionam o
problema de projeto com a sua solução. Para estimular o pensamento criativo e inovador,
utilizaram-se esboços com uma listagem inicial de alguns fatores indicados na sua época
de confecção. Essa listagem foi refinada através de brainstorming e adequação aos
requisitos estabelecidos na seção anterior e amadureceu ao longo do processo de projeto,
culminando nos fatores descritos nesta seção. Um sketch inicial é mostrado no Apêndice
A . Percebe-se que ainda existem muitas indefinições nesta etapa do projeto por conta da
sua natureza mal definida.
30
Os fatores de projeto para os quais as explorações de solução levaram podem ser vistos
na Figura 3-3 e na lista de fatores no Apêndice B . Para cada fator tem-se:
• Disciplina de estudo;
• Classificação (de acordo com a seção 2.1.4);
• O que gera (output);
• Interações com outros fatores (inputs e outputs);
• Ferramentas utilizadas para obtenção do output do fator;
A partir dos fatores listados, foram desenvolvidos a Matriz de Interação e o Fluxograma
Interativo. A Matriz de Interação é mostrada no Apêndice C . O Fluxograma Interativo
atua como um guia para o projetista e sugere um fluxo de projeto, incluindo as tarefas e
a sequência das tarefas a serem realizadas. A seção a seguir dedica-se a uma breve
descrição do Fluxograma Interativo obtido para este projeto.
3.1.6. Fluxograma Interativo
O Fluxograma Interativo utilizado neste projeto é apresentado na Figura 3-3. Nele,
encontram-se todos os fatores listados e as suas respectivas classificações. Embora à
primeira vista o fluxograma pareça caótico, por conta do cruzamento entre linhas e uma
aparência não-linear, é, na realidade, a representação de um processo orgânico, iterativo
e com diversas interações entre os fatores. É a representação cabal do processo de projeto.
Fica claro, pelo fluxograma, a possibilidade da divisão de grupos de trabalho. Partindo da
missão, os projetistas podem realizar, paralelamente, as atividades de definição dos
sistemas embarcados e de definição da forma e dos fatores hidrodinâmicos.
Compilados os dados dos sistemas, como peso, consumo, tensão e corrente de operação,
dimensões e etc., o sistema de controle pode ser definido (já que depende das
características dos demais sistemas). Paralelamente, a Forma pode ser definida e o setup
de análise dos parâmetros hidrodinâmicos em CFD pode ser montado. Da Forma também
dependem os sistemas de energia e governo, como será descrito na seção 3.2.2 , uma vez
que a placa solar para geração de energia dependerá da área molhada superior do veículo
e o sistema de governo depende do volume interno para seu dimensionamento. No
31
fluxograma, os sistemas de energia e governo foram colocados como um único fator por
conta da forte interrelação entre eles, também melhor explicado na seção 3.2.2.
O grande ponto de encontro é a compartimentação, quando os sistemas definidos devem
ser posicionados dentro da Forma obtida. Com a posição dos compartimentos (um para
cada sistema, neste projeto), uma estrutura preliminar pode ser obtida, a partir das
considerações em He et al. [30]. Ressalta-se que apenas estimativas foram utilizadas para
a definição da estrutura neste escopo, uma vez que o foco é a aplicação da metodologia
para obtenção de um projeto preliminar. Como a natureza do projeto é iterativa, após as
definições preliminares, os fatores devem ser reanalisados, reavaliados e/ou refinados
para a obtenção de um projeto básico e um posterior projeto detalhado, como visto na
seção 2.1.2.
Com a compartimentação/arranjo e a estrutura definidas, obtém-se o peso e centro de
gravidade do veículo, considerando a utilização de alumínio como material do casco,
tornando possível as análises e avaliações de equilíbrio e estabilidade. Caso o veículo
respeite os critérios de equilíbrio e estabilidade, como descrito na seção 3.2.2.6, é aceito
e terá seu raio de ação calculado (Gliding Range). Caso contrário, deverão ser reavaliados
os fatores que interagem com equilíbrio e estabilidades (linhas tracejadas), com
prioridade para os fatores mais próximos em distância, em seguida os intermediários e
por fim os mais distantes (neste caso os parâmetros da forma).
Os fatores sistema de energia + governo, estrutura e gliding range foram definidos como
fatores de desempenho, o que significa que existirão tentativas internas no processo de
projeto de otimizá-los. Novamente, a otimização da estrutura não será tratada neste
escopo, sendo alvo de projetos posteriores.
A seguinte seção trata da aplicação da metodologia descrita nesta primera parte.
32
Figura 3-3 - Fluxograma Interativo
33
3.2. Parte 2: Aplicação da Metodologia
3.2.1. Definição dos sistemas embarcados
A definição dos sistemas embarcados inicia-se com a estabelecimento da missão do
veículo. A missão delibera requisitos operacionais para os quais todos os sistemas
deverão atentar-se. Com base nisso, os sistemas listados na Tabela 3-2 devem estar
presentes no AUG projetado. Maiores detalhes sobre o processo de seleção de cada um
dos dispositivos podem ser consultados no Apêndice D .
Tabela 3-2 - Lista de Sistemas e dispositivos
Nome Sistema Dispositivos Peso (kg) Consumo
Max (W)
Comunicação
Modens: Wi-fi,
GSM/3G/GPS,
ARGOS, Iridium,
Acústico
3.106 39
Monitoramento Câmeras e Luzes 0.784 42
Payload CTD, ECO, Hidrofone 1.78 2.
Navegação IMU, DVL, Sensor
Pressão 2.595 2.5
VBS
Bomba de pistão,
bomba de engrenagens,
motores acionadores,
válvulas, diafragma,
reservatório
1.768 42
Controle Arduino e CPU-301-16 0.137 12
Energ. & Gov.
Baterias de Ni-MH,
baterias de Li-SOCl2,
distribuidor, BMS,
Placa solar,
Controlador de carga
Dependente
da forma
Dependente
da forma
34
3.2.2. Parametrização dos fatores de projeto
Como mostrado na seção 3.1.6, o fluxo do projeto culmina no fator Gliding Range, que
deve ser otimizado. A otimização deste fator requer, como valores de entrada,
informações de outros fatores, como forma, compartimentação e estabilidade e equilíbrio.
Portanto, tais fatores devem ser parametrizados, isto é, devem ser descritos e definidos
por modelos matemáticos ou algoritmos, capazes de transformar um valor de entrada em
um valor de saída. Uma descrição resumida da metodologia adotada para a
parametrização de cada fator também segue nas próximas seções.
3.2.2.1. Parametrização da Forma
A definição da forma é feita pelos parâmetros mostrados na Figura 3-4 [22], onde dois
elementos são destacados: o corpo e as asas. A transição e mescla entre o corpo (que se
assemelha a uma elipse) e a asa é feita suavemente através de duas curvas de bézier [31],
uma na proa e outra na popa.
Cada curva de bézier é construída a partir de quatro pontos de controle. Os pontos foram
nomeados como 𝐵0, 𝐵1, 𝐵2 e 𝐵3 para a bézier de proa, partindo-se da origem, e 𝐵4, 𝐵5,
𝐵6 e 𝐵7 para as curvas da popa, com ordem de acordo com a direção x.
As coordenadas do ponto 𝐵0 são fixas na origem (0,0). As coordenadas dos pontos 𝐵1 e
𝐵6 são (0, 𝑧1) e (𝑐𝑡, 𝑧1), respectivamente, sendo 𝑧1 um parâmetro de entrada (meia-boca
do ponto) e 𝑐𝑡 a corda total (linha de centro). As coordenadas dos pontos 𝐵2, 𝐵3, 𝐵4 e 𝐵5
são tais que os pontos, para uma meia boca dada por 𝑧2, no caso de 𝐵2 e 𝐵5 e 𝑧3, no caso
de 𝐵3 e 𝐵4, residam na linha projetada da asa, para garantir suavidade na transição entre
o corpo e a asa.
A asa é definida pelos parâmetros 𝛼, 𝑐𝑟𝑜𝑜𝑡, 𝑐𝑡𝑖𝑝 e 𝑏𝑡, sendo 𝛼 o ângulo entre a corda na
raíz 𝑐𝑟𝑜𝑜𝑡 e a corda na ponta 𝑐𝑡𝑖𝑝 e 𝑏𝑡 a meia-envergadura do veículo.
35
Figura 3-4 - Definição da forma - Vista Superior
Fonte: [22]
Como espera-se que glider realize planeio com ângulos simétricos (i.e.: mergulho e
emersão), foram utilizados perfis simétricos do tipo NACA00xx (sem curvatura) ao longo
de todo o veículo, onde “xx” denota a espessura relativa (espessura dividida por 100 do
perfil). As espessuras relativas dos perfis ao longo da forma variam e são definidas na
linha de centro (𝑡1), no ponto de transição (𝑡2) e entre a linha de centro e o ponto de
transição (𝑡𝑏𝑜𝑑𝑦), onde 𝑡𝑏𝑜𝑑𝑦 é calculada a partir de uma interpolação linear entre 𝑡1 e 𝑡2,
já que as suas coordenadas em z são conhecidas. Para as coordenadas da asa, sendo 𝑧 >
𝑧3, a espessura relativa é mantida constante e igual a 𝑡2. Assim
𝑡𝑏𝑜𝑑𝑦(𝑧) = (1 −𝑧
𝑧3) 𝑡1 +
𝑧
𝑧3𝑡2 (3.1)
Logo, generalizando:
𝑡(𝑧) = {(1 −
𝑧𝑧3
) 𝑡1 +𝑧𝑧3
𝑡2, se 0 ≤ 𝑧 ≤ 𝑧3
𝑡2, se 𝑧 > 𝑧3
(3.2)
A Figura 3-5 ilustra como a forma é composta de perfis do tipo NACA com espessuras
relativas que variam em Z, onde Z é a direção transversal do veículo.
36
Figura 3-5 - Vista Isométrica da Forma i) distribuição de espessuras, ii) isométrico renderizado
Fonte: i) [22], ii) autor
Define-se ainda 𝑛𝑖 como:
𝑛𝑖 =𝑧𝑖
𝑏𝑡, 𝑖 𝜖 1,2,3 (3.3)
Além disso:
𝐴𝑅 =𝑏𝑡
𝑐𝑡 (3.4)
37
𝑇𝑅 =𝑐𝑡𝑖𝑝
𝑐𝑟𝑜𝑜𝑡 (3.5)
𝐷𝑅 =𝑑
𝑐𝑡 (3.6)
sendo 𝑛𝑖, AR, TR e DR, respectivamente, a meia-boca relativa dos pontos de controle, a
razão de aspecto, o afilamento e a distância relativa da corda na raiz para o nariz do
veículo.
Para a definição da distribuição 𝑦(𝑥, 𝑧) dos perfis NACA, a Equação (3.7) é utilizada:
𝑦(𝑥, 𝑧) =𝑡(𝑧)
0.2(𝑎0𝑘0.5 + 𝑎1𝑘 + 𝑎2𝑘2 + 𝑎3𝑘3 + 𝑎4𝑘4) 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑘 ≥ 0 (3.7)
sendo 𝑎0 = 0.2969, 𝑎1 = −0.126, 𝑎2 = −0.3516, 𝑎3 = 0.2843 e 𝑎4 = −0.1036,
[32] e 𝑘 = 𝑥 − 𝑥𝑏𝑜𝑤(𝑧).
Os valores de volumes e centros da forma são obtidos a partir das Equações (3.8) a (3.11):
𝑐(𝑧) = 𝑥𝑠𝑡𝑒𝑟𝑛(𝑧) − 𝑥𝑏𝑜𝑤(𝑧) (3.8)
𝑆(𝑧) = 2 ∫ 𝑦(𝑥, 𝑧)𝑑𝑥𝑥𝑏𝑜𝑤(𝑧)+𝑐(𝑧)
𝑥𝑏𝑜𝑤(𝑧)
(3.9)
𝑉𝑈𝐺 = 2 ∫ 𝑆(𝑧)𝑑𝑧𝑏𝑡
0
(3.10)
𝑉𝑈𝐺 = 2 ∫ ∫ 𝑦(𝑥, 𝑧)𝑑𝑥𝑑𝑧𝑐(𝑧)
0
𝑏𝑡
0
(3.11)
A área 𝑆(𝑧) é obtida integrando-se as espessuras y de cada perfil ao longo da sua corda
𝑐(𝑧). Como os perfis são simétricos, para os cálculos são utilizados apenas as espessuras
positivas, como ilustrado na Figura 3-6, por isso, a área obtida deve ser multiplicada por
2. Para obtenção das espessuras negativas, basta calcular a função -y(x,z).. Integrando-se
a área ao longo da meia-envergadura obtém-se metade do volume do veículo, que também
deve ser multiplicado por 2 para obtenção do volume total.
38
Figura 3-6 - Exemplo de Perfil NACA00xx
Fonte: Autor
Para o cálculo do centro de volume da forma, também considerado como centro de
empuxo, dada a sua natureza simétrica, utiliza-se a Equação (3.12):
𝐿𝐶𝐵 =2 (∫ 𝑥(𝑧)̅̅ ̅̅ ̅̅ . 𝑆(𝑧)𝑑𝑧
𝑏𝑡
0)
𝑉𝑈𝐺 (3.12)
Para verificação de conformidade da forma (um critério de avaliação do fator), são
realizados cálculos que avaliam o comportamento das curvas de bézier (a partir das suas
derivadas) e verificam se as curvas criam formas suaves ou não. Além disso, verifica-se
também a conformidade da asa, comparando a corda na ponta com a corda ao longo da
asa (a corda na ponta deve ser sempre a menor). A forma é adequada se passa em todos
os critérios de avaliação, caso contrário é considerada inadequada. Este foi um artificio
utilizado para evitar a criação e análise de formas “não exequíveis” do ponto de vista
construtivo e mostrou-se satisfatório ao longo do processo de otimização.
3.2.2.2. Setup em CFD e obtenção dos parâmetros hidrodinâmicos
Para obtenção dos parâmetros hidrodinâmicos da forma foram realizadas análises em
CFD (do inglês, Computational Fluid Dynamics). Neste escopo, entende-se como
parâmetros hidrodinâmicos os valores dos coeficientes adimensionais de sustentação,
arrasto e momento no plano vertical, 𝐶𝐿, 𝐶𝐷 , e 𝐶𝑀, respectivamente. Entende-se não ser
objetivo desta seção a descrição detalhada da metodologia utilizada para as análises em
CFD e, por conta disso, um breve resumo é apresentado.
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Esp
essu
ra (
mm
)
Corda (mm)
NACA0040
39
As forças hidrodinâmicas de arrasto e sustentação em um glider dependem de parâmetros
da forma do veículo [33] e do ângulo de ataque, como definido na seção 2.2.4. Por isso,
para cada forma definida, uma série de análises em CFD devem ser realizadas para
obtenção dos coeficientes adimensionais em diferentes ângulos de ataque. Ao final, as
equações (2.15) a (2.17) serão utilizadas para a obtenção das constantes hidrodinâmicas
𝐾𝐿0, 𝐾𝐿 , 𝐾𝐷0, 𝐾𝐷 , 𝐾𝑀0 e 𝐾𝑀. Embora os coeficientes adimensionais também variem com
o regime de escoamento, e portanto, com o número de Reynolds, com o intuito de
diminuir o esforço computacional, apenas uma velocidade, considerada intermediária
[33], será utilizada para a obtenção das constantes. Análises mais detalhadas podem ser
consideradas para estudos futuros.
As análises foram realizadas no software STAR-CCM+ da Siemens, uma plataforma
multidisciplinar utilizada para a simulação de produtos e projetos, capaz de integrar todos
os passos da simulação, desde a geração da malha, até exploração de alternativas de
projeto. O setup do CFD integra as seguintes etapas:
• Inicialização dos parâmetros globais da simulação;
• Importação da geometria (forma);
• Criação do sistema de coordenadas local;
• Criação do domínio e definição de regiões;
• Definição das equações governantes e do solver;
• Definição das condições iniciais;
• Definição das condições de contorno;
• Definição dos parâmetros do solver;
• Definição e criação da malha;
• Definição dos parâmetros de interesse (coeficientes)
O domínio é criado a partir dos valores de um comprimento de referência, definido como
o parâmetro 𝑐𝑡 de cada forma. Os valores de massa específica e viscosidade dinâmica
considerados foram, respectivamente:
𝜌 = 1025𝑘𝑔
𝑚3
𝜇 = 1.002 𝑐𝑃𝑎. 𝑠
40
O tamanho padrão dos elementos da malha foi definido como 0.1m e, na superfície da
forma (condição de contorno) como 0.001m. A velocidade utilizada para a simulação foi
de 0.7 m/s. As equações governantes são as de Navier-Stokes para escoamento
incompressível, incluindo as de continuidade e conservação do momento,
respectivamente.
∇ ∙ (ρ𝑢) = 0 (3.13)
𝜌 (𝜕𝑢
𝜕𝑡+ 𝑢 ∙ ∇𝑢) = −∇𝑝 + 𝜇∇2𝑢 +
1
3𝜇∇(∇ ∙ 𝑢) + 𝜌𝑔 (3.14)
Onde p é a pressão, g é a aceleração da gravidade e o vetor �⃗� é a velocidade. Para resolver
o problema de fechamento turbulento foi utilizado o 𝑘-ε.
Obtém-se, para cada forma analisada, cinco valores de 𝐶𝐿, 𝐶𝐷 e 𝐶𝑀, para os ângulos de
ataque de -10,-5,0,5 e 10 graus, respectivamente. Os valores são então tratados e as
constantes hidrodinâmicas calculadas, de acordo com os dados obtidos na análise de CFD.
Essas constantes serão utilizadas como dados de entrada para o cálculo de raio de ação
(gliding range) como explicado na seção 3.2.3.5.
Figura 3-7 - Domínio Fluido
Figura 3-8 - Malha no domínio fluido
41
Figura 3-9 - Refinamento da malha na condição de contorno do corpo
Figura 3-10 - Detalhes da malha na condição de contorno do corpo
3.2.2.3. Parametrização dos sistemas de Governo e de energia
A definição dos sistemas de governo e energia depende das características da forma.
Assim, no fluxo de projeto, estes sistemas são definidos após a obtenção da forma, de
acordo com a formulação descrita na seção 3.2.2.1.
Algumas premissas foram consideradas para a parametrização dos sistemas de governo e
energia. As principais referem-se à configuração do módulo de baterias utilizado para a
variação de pitch e roll.
Assumiu-se que o módulo possuirá formato cilíndrico, com baterias não recarregáveis o
suficiente para garantir uma reserva energética de 24 MJ o que equivale a utilização de
cerca de 98 baterias D-sized não recarregáveis (pouco mais que o dobro da energia
disponível no Seaglider [18] ). Maiores detalhes sobre a seleção das baterias podem ser
vistos no Apêndice D
42
Além disso, assumiu-se que o sistema terá capacidade de movimentar o módulo de
baterias em 100mm longitudinalmente e de girar o módulo em até 90º para ambos os
sentidos (valores utilizado por muitos veículos semelhantes [18]).
A partir dessas premissas e de acordo com o espaço disponível na região da forma onde
o módulo de governo será instalado, busca-se minimizar o comprimento do módulo,
aumentando a densidade de baterias por seção transversal. Para isso, uma tabela que
fornece os melhores empacotamentos conhecidos de círculos idênticos dentro de um
círculo externo foi utilizada. Esta tabela é fruto do trabalho de diversos autores num
esforço de disponibilizar resultados atualizados para novos valores e ainda está em
desenvolvimento, já que o problema de encapsulamento é um problema de alta não-
linearidade [34].
O número total de baterias do módulo pode divergir levemente das 98 incialmente
definidas (sempre para um número superior). Durante o processo de compartimentação,
descrito na seção 3.2.2.4, o sistema de energia ainda poderá sofrer alterações, com a
inclusão de baterias recarregáveis adicionais em regiões convenientes.
Um exemplo de empacotamento de círculos é dado na Figura 3-11. Este empacotamento
foi provado como ótimo para 8 círculos idênticos dentro de um círculo externo por Pirl
[35] em 1969. Neste caso, o raio do círculo externo deve ser cerca de 3.304 vezes maior
que o raio dos círculos internos.
Figura 3-11 - Empacotamento de 8 círculos idênticos
3.2.2.4. Compartimentação/Arranjo
A parametrização da compartimentação foi, sem quaisquer dúvidas, um grande desafio.
Embora existam esforços para definir e otimizar arranjos e compartimentações em
embarcações convencionais [36] e veículos subaquáticos [37], a sua aplicação
desvirtuaria a proposta do presente escopo, por tratar de formulações demasiadamente
43
complexas. Portanto, para uma abordagem preliminar, optou-se pelo desenvolvimento de
uma ferramenta capaz de criar um arranjo preliminar dos itens do veículo, para cada
compartimento, usando um algoritmo de verificação de fronteiras e interseções entre os
dispositivos.
Os dispositivos são listados e adicionados aos seus respectivos compartimentos. Foram
criados os seguintes compartimentos:
I. Compartimento molhado (Wet);
II. Compartimento de energia e governo;
III. Compartimento do VBD;
IV. Compartimento de eletrônicos;
V. Compartimento das Asas;
Uma tabela com os dispositivos em cada compartimento pode ser vista no Apêndice E .
A ordem de posicionamento dos compartimentos foi obtida após algumas tentativas de
ajuste do melhor arranjo interno, considerando questões operacionais e construtivas e é
exatamente a ordem da lista acima. Os compartimentos são sucessivamente alocados na
direção longitudinal da forma.
Como cada compartimento possui uma lista de dispositivos, o processo de
compartimentação/arranjo é, basicamente:
• Posicionamento de todos os dispositivos do primeiro compartimento, definição da
posição longitudinal final do primeiro compartimento;
• Posicionamento do segundo compartimento, a partir da posição longitudinal final
do primeiro, e assim sucessivamente.
Antes da compartimentação, as fronteiras da forma a serem utilizadas, chamada de forma
efetiva, são calculadas. Neste projeto, descartou-se 10% do comprimento ao final da
forma, devido ao seu “estrangulamento” e por conta da intenção de utilizar esta mesma
porção para instalação, em projetos posteriores, de superfícies de controle e
estabilizadores para aprimorar a navegação do veículo.
Cada dispositivo definido possui, dentro do algoritmo, além de características como peso,
dimensões e centro de gravidade locais, variáveis de controle que indicam requisitos e
status. Em geral, indicam se o dispositivo foi posicionado na forma corretamente ou se
44
houve erro ao posicioná-lo, se o dispositivo pode ser rotacionado, se deve ser
centralizado, se está localizado no corpo ou na asa, se possui dispositivo gêmeo a ser
posicionado simetricamente e se pode ser posicionado na parte superior do casco.
Por padrão, todos os dispositivos são inicializados com a menor dimensão estando na
direção x, seguida do z e por fim o y, com exceção dos casos nos quais as variáveis de
controle limitem sua movimentação. A ordem dos dispositivos a serem colocados na
forma é definida pelo usuário e pode ser, para cada compartimento, do maior (maior
dimensão em x) para o menor, ou vice-versa.
O dispositivo será verificado quanto ao seu local de instalação (corpo ou asa) antes que o
processo se inicie efetivamente. Então, dentro de uma sequência de iterações, tenta-se
posicioná-lo na forma. Como este fator é restritivo, caso qualquer um dos dispositivos
não possa ser posicionado no interior do casco, a restrição de compartimentação não é
satisfeita.
3.2.2.5. Estrutura Preliminar
Como já mencionado, análises e avaliações detalhadas da estrutura não são o alvo deste
escopo. Entretanto, fatores como peso, centro de gravidade e estabilidade/equilíbrio são
extremamente dependentes dos valores do projeto estrutural. Assim, usando os valores de
espessuras e materiais usualmente utilizados por AUGs ( [38], [5], [18] e [39]) e valores
obtidos para formas similares [30], uma formulação preliminar foi criada considerando
valores de espessura de casco equivalente, usando alumínio como material. Na
formulação, uma casca é criada para cada um dos perfis que definem a forma através da
utilização de gradientes das curvas dos aerofólios NACA. O valor da espessura da casca
é definido como:
𝑠𝑡(𝑧) = 𝑠𝑡𝑚í𝑛+ (𝑠𝑡𝑚á𝑥
− 𝑠𝑡𝑚í𝑛).
𝑧 − 𝑧𝑚í𝑛
𝑧𝑚á𝑥 − 𝑧𝑚í𝑛 (3.15)
sendo 𝑠𝑡𝑚á𝑥 e 𝑠𝑡𝑚í𝑛
as espessuras relativas máxima e mínima, respectivamente, com
valores de 2.5% e 20%. As espessuras relativas devem ser aplicadas à espessura total de
cada um dos aerofólios. Para os de maior corda (mais próximos à linha de centro), um
valor de 2.5% é aplicado. Para os aerofólios de ponta de asa, um valor de 20% é aplicado.
45
Com os valores das espessuras definidos, áreas e volumes da casca podem ser obtidos,
em formulação similar à apresentada pelas equações (3.9) a (3.11):
𝑆𝑐𝑎𝑠𝑐𝑎(𝑧) = 𝑆(𝑧) − 2 ∫ (𝑦(𝑥, 𝑧) − 𝑡𝑐(𝑥, 𝑧))𝑑𝑥𝑥𝑏𝑜𝑤(𝑧)+𝑐(𝑧)
𝑥𝑏𝑜𝑤(𝑧)
(3.16)
sendo 𝑡𝑐 a espessura da casca. Daí, tem-se que:
𝑉𝑐𝑎𝑠𝑐𝑎 = 2. ∫ 𝑆𝑐𝑎𝑠𝑐𝑎(𝑧) 𝑑𝑧𝑏𝑡
0
(3.17)
O Gráfico 3-1 ilustra um perfil e a sua respectiva “casca”, como denominada nesta seção:
Gráfico 3-1 - Ilustração da Casca
Após a obtenção do volume da casca, considera-se a densidade do alumínio de 2700kg/m³
para o cálculo do peso da estrutura:
𝑃𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑡𝑢𝑟𝑎 [𝑘𝑔] = 𝑉𝑐𝑎𝑠𝑐𝑎[𝑚3].2700[𝑘𝑔
𝑚3] (3.18)
Ao final, de forma a minimizar erros que a formulação proposta porventura cause, define-
se o centro longitudinal do peso estrutural coincidente com o centro de volume da forma.
Os centros transversais e verticais são nulos, uma vez que o veículo possui simetria
transversal e vertical.
𝐶𝑜𝐺𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑡𝑢𝑟𝑎 = (𝐿𝐶𝐵, 0,0)
0
50
100
150
200
250
300
350
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
ESP
ESSU
RA
(M
M)
CORDA (MM)
NACA0040
Parede Interna Parede Externa
46
3.2.2.6. Equilíbrio e Estabilidade
Embora o fator peso/cg não seja efetivamente o mesmo que o de equilíbrio e estabilidade,
possuem uma forte interação. Por isso, o módulo utilizado para formulação de ambos no
Python é o mesmo. Basicamente, a função deste módulo é contabilizar os valores de peso
e centro de gravidade, a partir dos dados da compartimentação e da estrutura. O valor de
TCG dos sistemas é zerado, a partir da movimentação dos compartimentos, o LCB e o
volume de deslocamento da forma são corrigidos para levar em consideração a região
molhada do veículo (que não gera empuxo), como mostrado nas equações (3.19) e (3.20).
Δ𝑑𝑒𝑠𝑙∗ = (𝑉𝑈𝐺 − 𝑉𝑤𝑒𝑡 + 𝑉𝑤𝑒𝑡𝑑𝑒𝑣𝑖𝑐𝑒𝑠
)𝜌 (3.19)
𝐿𝐶𝐵∗ =𝐿𝐶𝐵. 𝑉𝑈𝐺 − 𝐿𝐶𝐵𝑤𝑒𝑡. (𝑉𝑤𝑒𝑡 − 𝑉𝑤𝑒𝑡𝑑𝑒𝑣𝑖𝑐𝑒𝑠
)
Δ𝑑𝑒𝑠𝑙∗ (3.20)
sendo 𝑉𝑤𝑒𝑡 o volume do compartimento molhado e 𝑉𝑤𝑒𝑡𝑑𝑒𝑣𝑖𝑐𝑒𝑠 o volume dos dispositivos
(que geram empuxo) deste mesmo compartimento e 𝜌 o peso específico do fluido.
O peso do veículo e seu centro de gravidade total são calculados como:
𝑝𝑒𝑠𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑝𝑒𝑠𝑜𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑡𝑢𝑟𝑎 + 𝑝𝑒𝑠𝑜𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎𝑠 (3.21)
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑐𝑜𝑔 =𝐶𝑜𝐺𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑡𝑢𝑟𝑎 ∗ 𝑝𝑒𝑠𝑜𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑡𝑢𝑟𝑎 + 𝐶𝑜𝐺𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎𝑠 ∗ 𝑝𝑒𝑠𝑜𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎𝑠
𝑝𝑒𝑠𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (3.22)
sendo CoG um vetor contendo as coordenadas x,z e y do centro de gravidade,
respectivamente.
Em seguida, calcula-se o erro de deslocamento, a partir da equação (3.23) e o peso içado,
a partir da equação (3.24).
𝜉 = Δdesl∗ − 𝑝𝑒𝑠𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (3.23)
𝑃𝑖ç𝑎𝑑𝑜 = 𝑉𝑈𝐺 ∗ 𝜌 (3.24)
Sendo 𝑃𝑖ç𝑎𝑑𝑜 é o peso do veículo no momento de sua recuperação, com o compartimento
molhado cheio de água.
47
O primeiro critério refere-se ao peso máximo içado, que não deve ser maior que 96 kg.
Caso seja, o veículo falha no critério de peso.
O segundo critério refere-se à máxima tolerância 𝜉 permitida, definida como 10% (valor
considerado aceitável por conta das incertezas de peso do sistema VBD e da estrutura).
Caso a tolerância calculada seja maior que 10%, o veículo falha no critério de equilíbrio.
Em seguida, as posições do centro de gravidade e de carena do veículo são verificadas.
Tenta-se uma correção a partir da movimentação das baterias adicionais recarregáveis no
compartimento de energia e governo.
𝛿𝑚𝑜𝑚𝑥= 𝐿𝐶𝐵∗. Δ𝑑𝑒𝑠𝑙
∗ − 𝑝𝑒𝑠𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 . 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝐶𝑜𝐺𝑥 (3.25)
𝐵𝑎𝑡𝑠ℎ𝑖𝑓𝑡 =𝛿𝑚𝑜𝑚𝑥
𝑃𝑏𝑎𝑡 (3.26)
sendo 𝑃𝑏𝑎𝑡 o peso das baterias recarregáveis adicionadas no compartimento de energia e
𝐵𝑎𝑡𝑠ℎ𝑖𝑓𝑡 o deslocamento requerido dessas baterias para anular a diferença de momentos
em x, 𝛿𝑚𝑜𝑚𝑥.
Como as baterias foram inicialmente adicionadas no centro de gravidade do
compartimento de energia, tem-se:
𝑚á𝑥𝑠ℎ𝑖𝑓𝑡 = 𝑋𝑓𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 − 𝑋𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 (3.27)
𝑚í𝑛𝑠ℎ𝑖𝑓𝑡 = − (𝑋𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎− 𝑋𝑖𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎) (3.28)
sendo 𝑋𝑓𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 e 𝑋𝑖𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 a posição das anteparas final e inicial do compartimento de
energia e 𝑋𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 o centro de gravidade do compartimento. Os valores de 𝑚á𝑥𝑠ℎ𝑖𝑓𝑡 e
𝑚í𝑛𝑠ℎ𝑖𝑓𝑡 denotam os máximos deslocamentos possíveis para as baterias adicionais. Caso
não seja possível posicionar as baterias adicionais de forma a equilibrar o veículo (zerar
o trim), há falha no critério de equilíbrio.
O passo seguinte é o cálculo de trim máximo e banda máxima, de acordo com os valores
gerados pelas análises do sistema de governo.
48
Depois, calculam-se duas curvas de estabilidade (curva BG). Uma com o veículo sem
banda, outra com banda máxima. Caso alguma das curvas apresente valor de BG
negativo, ocorre falha no critério de estabilidade submersa.
Todos os critérios de equilíbrio e estabilidade são compilados em um critério final. Caso
qualquer um dos critérios descritos apresente falha, o critério também falhará.
3.2.3. Modelo de energia e raio de ação
O modelo de energia desenvolvido utiliza a formulação descrita na seção 2.2.4 para
normalizar o consumo de energia de cada um dos sistemas de acordo com distancias
percorridas e poder utilizá-los para a obtenção do valor de raio de ação (gliding range).
Utiliza-se como parâmetros de entrada os valores das constantes hidrodinâmicas
𝐾𝐿0, 𝐾𝐿 , 𝐾𝐷0, 𝐾𝐷 , 𝐾𝑀0 e 𝐾𝑀, além dos valores obtidos nos fatores de peso/cg e
estabilidade/equilíbrio. Além disso, são necessários os valores de volume máximo do
diafragma externo, energia máxima disponível no veículo, geração de energia máxima e
peso/deslocamento do módulo de baterias do sistema de governo. Estes dois últimos
valores serão úteis para a definição de uma região operacional (velocidades x ângulos de
planeio possíveis dadas as configurações dos sistemas e dos compartimentos e os
parâmetros hidrodinâmicos).
3.2.3.1. Consumo do sistema de variação de empuxo
O consumo do sistema de variação de empuxo é parametrizado a partir do tempo no qual
os motores estarão em atuação. Embora o consumo dos motores varie com a
profundidade, considerou-se um valor médio de potência para simplificação dos cálculos.
Tem-se, dos manuais dos motores e bombas:
𝑉𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 = 15 𝑉
𝐼𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 = 3.2 𝐴
𝑓𝑟𝑎𝑡𝑒 = 0.1 𝑙/𝑚𝑖𝑛
sendo 𝑉𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 a tensão de operação dos motores, 𝐼𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 a corrente de operação média
dos motores e 𝑓𝑟𝑎𝑡𝑒 a taxa de bombeamento de óleo hidráulico do diafragma interno para
o externo.
49
Assim, utilizando a equação (2.22), a variação de volume requerida no diafragma externo,
o tempo de funcionamento do motor por ciclo de planeio e a energia despendida, por
ciclo, pelo sistema de variação de empuxo, respectivamente, são:
Δ𝑉 [𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠] =
2Δ𝐵[𝑁]
𝜌 [𝑘𝑔𝑙
] 𝑔[𝑚𝑠2]
(3.29)
𝑡𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟[𝑠] = |Δ𝑉
𝑓𝑟𝑎𝑡𝑒[𝑙
𝑚𝑖𝑛]| ∗ 60 (3.30)
𝐸𝑉𝐵𝐷[𝐽] = 𝑉𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠. 𝐼𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠. 𝑡𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 (3.31)
3.2.3.2. Consumo do sistema de governo
Para o cálculo do módulo de governo, o valor do centro vertical de gravidade é um dado
de entrada. A partir dele calcula-se, para o ângulo de pitch 𝜃, dado pela expressão (2.9),
os valores do centro longitudinal de gravidade:
𝑥𝑔[𝑚𝑚] = 𝑦𝑔[𝑚𝑚]. tan 𝜃 (3.32)
e a distância percorrida pelo módulo de bateria:
𝐷𝑝[𝑚𝑚] = 2. 𝑝𝑒𝑠𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 .|𝑥𝑔|
𝑝𝑒𝑠𝑜𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 (3.33)
A potência e a velocidade de atuação do sistema são estimados, de acordo com dados dos
motores de passo compatíveis com o sistema:
𝑃𝑝 = 20 𝑊
𝑣𝑝 = 15 𝑚𝑚/𝑠
A partir deste valor e considerando que o sistema opera duas vezes durante um ciclo, a
energia consumida pelo sistema de governo por ciclo de planeio é dada por:
𝐸𝑝 [𝐽] = 2𝑃𝑝.𝐷𝑝
𝑣𝑝 (3.34)
50
3.2.3.3. Consumo dos demais sistemas
O valor do consumo médio dos demais sistemas do veículo é calculado a partir das
considerações sobre o seu perfil operacional. Para diferentes perfis operacionais,
diferentes valores de consumo, e, portanto, gliding range são obtidos. As considerações
sobre o perfil operacional de projeto são resumidas no Gráfico 3-2 e no Gráfico 3-3 e na
Tabela 3-3.
Tabela 3-3 - Resumo de perfil operacional
Operação Consumo Bruto (W)
Tempo (%)
Consumo Líquido (W)
Basic Gliding 11.1075 50% 5.6
Basic Gliding + Communication 19.6741 15% 3.0
Basic Gliding + Acoustic 19.0075 15% 2.9
Gliding w/ Monitoring 33.9375 20% 6.8
Consumo Médio (W) 100% 18.1
Gráfico 3-2 - Consumo por operação
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Basic Gliding Basic Gliding +Communication
Basic Gliding +Acoustic
Gliding w/Monitoring
Po
ten
cia
(W)
Operação
Consumo por operação
51
Gráfico 3-3 - Perfil Operacional
A partir disso e considerando que o tempo de um ciclo de planeio é dado pela equação
(3.35), sendo 𝑈 a velocidade de planeio, h a profundidade de planeio, 𝛾 o ângulo de
planeio e 𝑡𝑐𝑜𝑚𝑚 o tempo gasto em comunicação (considerado constante e igual a 0.5h por
ciclo):
𝑡𝑔𝑐 =2ℎ
𝑈. 𝑠𝑒𝑛 |𝛾|+ 𝑡𝑐𝑜𝑚𝑚 (3.35)
Assim:
𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡 = 𝑃𝑠𝑖𝑠𝑡 . 𝑡𝑔𝑐 = 18,1 . 𝑡𝑔𝑐 (3.36)
3.2.3.4. Geração de energia solar
Para o cálculo da energia gerada pelas placas solares considerou-se que o tempo exposto
ao sol por ciclo em segundos é dado por:
𝑡𝑠𝑜𝑙[𝑠] = (𝑡𝑐𝑜𝑚𝑚[ℎ]
2) ∗ 3600 (3.37)
E, considerando que a placa irá gerar cerca e 60% da sua capacidade máxima nos
momentos em que haja sol (considera-se metade do dia – 12 h) tem-se:
Basic Gliding50%
Basic Gliding + Communication
15%
Basic Gliding + Acoustic
15%
Gliding w/ Monitoring
20%
Perfil Operacional
52
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 0.6 ∗ 𝑡𝑠𝑜𝑙 ∗ 𝑃𝑔𝑒𝑛 (3.38)
sendo 𝑃𝑔𝑒𝑛 a potência máxima de geração, que depende da área molhada disponível para
a instalação da placa, como mostra a equação (3.39).
𝑃𝑔𝑒𝑛 = 𝑃𝑔𝑒𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙[
𝑊
𝑚2] ∗ Ω𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟[𝑚2] (3.39)
sendo Ω𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 a área molhada disponível para instalação da placa solar.
3.2.3.5. Consumo total e Raio de ação
Por fim, o consumo total de energia do veículo é dado por:
𝐸𝑔(𝑈, ℎ, 𝛾) = 𝐸𝑉𝐵𝐷 + 𝐸𝑝 + 𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡 − 𝐸𝑔𝑒𝑛 (3.40)
Como mostrado na Figura 2-15, a distância horizontal de planeio por ciclo pode ser
calculada como:
𝐷ℎ =2ℎ
tan|𝛾| (3.41)
e o consumo de energia por unidade de distância pode ser expresso como:
𝐸𝑚(𝑈, ℎ, 𝛾) =𝐸𝑔(𝑈, ℎ, 𝛾)
𝐷ℎ (3.42)
sendo 𝐸𝐵 a energia total disponível no veículo, obtida a partir dos cálculos realizados no
sistema de energia.
Assim, calcula-se o raio de ação como:
𝑅𝐺 =𝐸𝐵(𝑐𝑡, 𝑡1, 𝑐𝑡𝑖𝑝, 𝑡2, 𝑏𝑡, 𝑐𝑟𝑜𝑜𝑡, 𝑑, 𝛼, 𝑛1, 𝑛2, 𝑛3)
𝐸𝑚(𝑈, ℎ, 𝛾) (3.43)
53
3.2.4. Setup da Otimização
3.2.4.1. SHERPA e HEEDS
Os algoritmos de otimização podem ser classificados como monolíticos, que tipicamente
usam uma única estratégia para encontrar melhores projetos, repetindo as ações em cada
ciclo durante o estudo, ou híbridos [40]. Exemplos de algoritmos monolíticos são o
simplex, algoritmos genéticos e métodos de previsão. Os algoritmos híbridos são os que
utilizam múltiplos métodos ou estratégias em um único ciclo, com o objetivo de
aproveitar as vantagens dos diferentes métodos.
Os métodos podem ainda ser classificados como estáticos ou adaptativos. Quando
estáticos, alguns parâmetros do método devem ser fixados e serão mantidos durante a
análise. Quando adaptativos, os parâmetros são ajustados automaticamente durante o
estudo, baseado em estatística, métodos heurísticos ou qualquer outro feedback que se
possa obter do processo, com o objetivo de aumentar a performance à medida que se
aprende sobre o espaço de projeto que está sendo investigado.
O SHERPA surge então como um método proprietário híbrido e adaptativo de
otimização, capaz de utilizar, em um único ciclo, elementos de busca de vários outros
métodos simultaneamente, combinando atributos de métodos de buscas por pontos de
máximo/mínimos locais e globais. Em resumo, o método é capaz de aprender sobre o
espaço amostral (ou espaço de projeto) e adaptar-se para garantir que os mecanismos de
busca encontrem um ponto ótimo para os valores de variáveis livres e restrições dados. O
único parâmetro de entrada do algoritmo é o número de amostras a serem avaliadas
durante o processo. O SHERPA é atualmente vinculado ao software HEEDS, da
Siemens, capaz de realizar explorações de alternativas de projeto e otimização, integrando
módulos de diversos outros softwares, como Python, VBA, SolidWorks, Star-CCM+ e
outros, automatizando, assim, processos que requerem análises em diferentes
plataformas, como é o caso deste projeto.
Os resultados de um benchmark realizado utilizando diversos algoritmos de otimização
em diferentes aplicações mostraram um desempenho significativamente superior do
SHERPA, com considerável diminuição do tempo de otimização [40].
54
Por isso, embora apresente como principal limitação a impossibilidade de maiores estudos
sobre o seu funcionamento, por ser um método patenteado (closed source), decidiu-se
pela utilização do SHERPA como algoritmo de otimização neste escopo.
3.2.4.2. Variáveis Livres
Para a otimização da forma foram utilizados como variáveis livres todos os parâmetros
indicados na seção 3.2.2.1. Uma lista com as variáveis livres pode ser vista na Tabela 3-4.
Tabela 3-4 - Variáveis Livres
Variável Livre Descrição
𝑐𝑡 Corda na linha de centro
𝑡1 Espessura relativa na linha de centro
𝑐𝑡𝑖𝑝 Corda na ponta da asa
𝑡2 Espessura no ponto de transição
𝑏𝑡 Meia-Envergadura
𝑐𝑟𝑜𝑜𝑡 Corda na raíz da asa
𝑑 Distância da raiz da asa para o nariz
𝛼 (𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒) Ângulo de recuo da asa
𝑛1
Meia-boca relativa do ponto de controle 𝑛2
𝑛3
3.2.4.3. Restrições
As restrições aplicadas na otimização surgem da avaliação de fatores que aplicam
critérios ao fluxo de projeto. Como a avaliação dos critérios de cada fator é booleana (ou
passa ou não passa), as restrições são, em sua maioria, também booleanas e traduzidas
como 1-passa, 0- não passa (com exceção do Gliding Range que deve ser maior que
580km e dos parâmetros dinâmicos 𝑈 e 𝛾). Percebe-se, na Tabela 3-5, que existem
descrições diferentes para as mesmas restrições. Isso ocorre porque os módulos utilizados
para avaliar alguns fatores estão compilados em um único código.
Tabela 3-5 - Restrições
Descrição Restrição
Avaliação da conformidade da forma 𝑐𝑜𝑓𝑜𝑟𝑚𝑖𝑡𝑦 = 1
Avaliação da compartimentação 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒𝑣𝑎𝑙 = 1
Avaliação dos sistemas de energia e governo 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒𝑣𝑎𝑙 = 1
Avaliação do peso 𝑆𝑡𝑎𝑏𝑒𝑣𝑎𝑙 = 1
Avaliação de equilibrio 𝑆𝑡𝑎𝑏𝑒𝑣𝑎𝑙 = 1
Avaliação de estabilidade 𝑆𝑡𝑎𝑏𝑒𝑣𝑎𝑙 = 1
Avaliação do Gliding Range 𝑅𝐺 ≥ 580 𝑘𝑚
Velocidade Gliding 0.3 ≤ 𝑈(𝑚
𝑠) ≤ 1.2
Ângulo de Gliding 𝛾𝑚í𝑛 ≤ 𝛾 ≤ 90
sendo o valor de 𝛾𝑚í𝑛 calculado de acordo com a equação (2.19).
55
3.2.4.4. Função Objetivo
A ideia de utilização do gliding range como função objetivo da otimização a ser realizada
surgiu de C. Sun et al [22]. Em outro artigo dos mesmos autores [41], a utilização da
relação L/D como função objetivo levou à obtenção de uma forma ótima com excelente
performance hidrodinâmica [22], perdendo, no entanto muito volume interno. Por isso,
segundo esses autores, a utilização do L/D como função objetivo de uma otimização da
forma não é indicada, uma vez que o espaço interno possui papel importante no projeto
de um BWBUG.
Ao realizar a parametrização do Gliding Range, uma pré-varredura é realizada e verifica
os valores de 𝑅𝐺 dados valores de 𝑈𝑚í𝑛 até 𝑈𝑚á𝑥 e de 𝛾𝑚í𝑛 até 𝛾𝑚á𝑥. O valor de 𝑅𝐺
utilizado na otimização será o maior valor obtido na verredura, para cada forma,
considerando uma região operacional dada pelas características do sistema de variação de
empuxo e do sistema de governo, como descrito na seção 4.6.
Assim, a função objetivo da otimização é tal que:
𝐽 = max 𝑅𝐺(𝑈, ℎ, 𝛾, 𝑐𝑡, 𝑡1, 𝑐𝑡𝑖𝑝, 𝑡2, 𝑏𝑡, 𝑐𝑟𝑜𝑜𝑡, 𝑑, 𝛼, 𝑛1, 𝑛2, 𝑛3) (3.44)
Sujeito às restrições:
𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑖𝑡𝑦 = 1;
𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒𝑣𝑎𝑙 = 1;
𝑠𝑡𝑎𝑏𝑒𝑣𝑎𝑙 = 1;
𝑅𝐺 ≥ 580 𝑘𝑚;
0.3 ≤ 𝑈(𝑚
𝑠) ≤ 1.2;
𝛾𝑚í𝑛 ≤ 𝛾 ≤ 90;
56
Capítulo 4
Resultados e Análises
Este capítulo reserva-se à apresentação e análise dos resultados obtidos que, integrados,
caracterizam-se como o projeto preliminar de um AUG. Em resumo, obteve-se uma forma
contínua, otimizada para as premissas de projeto utilizadas e de acordo com os requisitos
e restrições impostos, compartimentada e embarcando todos os sistemas apresentados no
capítulo 3, equilibrada e estável e com raio de ação maior que 580km.
4.1. Otimização
4.1.1. Obtenção do processo e dos parâmetros de otimização
Embora o HEEDS ofereça a possibilidade de avaliar a influência entre variáveis e
respostas a partir de um estudo inicial do espaço de projeto, este estudo limita-se à certos
tipos de amostragem (2-level) que não ofereceram, durante as tentativas de exploração
realizadas, resultados consistentes (as combinações de 2 em 2 variáveis não resultaram
em opções de projeto viáveis – que a atendessem a todas as restrições impostas). O fato
do projeto possuir restrições booleanas (passa ou não passa), criou uma dificuldade em
avaliar a resposta final de Gliding Range, uma vez que a função acaba sendo definida por
partes.
Por isso, optou-se por realizar análises de correlação entre os parâmetros para cada um
dos processos de otimização que foram realizados. Ao total, 5 tentativas de otimização
foram feitas para encontrar o melhor número de amostras a serem utilizados pelo
SHERPA que disponibilizassem resultados consistentes. Segundo [42], o número mínimo
de amostras a serem avaliadas para obtenção de resultados consistentes usando SHERPA
em otimizações de objetivo único pode ser aproximado como:
𝑚 < 10: 𝑁𝑒𝑣𝑎𝑙 = 10 × 𝑚
10 < 𝑚 < 20: 𝑁𝑒𝑣𝑎𝑙 = 8 × 𝑚
𝑚 > 20: 𝑁𝑒𝑣𝑎𝑙 = 5 × 𝑚
57
Como a otimização possui 11 variáveis livres, ao menos 𝑚 = 88 amostras devem ser
avaliadas (devem ser viáveis) para obtenção de resultados consistentes.
A Tabela 4-1 mostra as faixas de parâmetros finais, ajustadas durante a busca por
resultados mais consistentes. O ajuste foi realizado utilizando os resultados de correlação
entre os fatores de cada uma das otimizações realizadas. As faixas que geravam formas
viáveis foram mantidas, enquanto as que sucessivamente não criaram resultados viáveis
tiveram os seus valores de máximo, mínimo ou passo ajustados.
Tabela 4-1 - Faixa de valores da otimização
Variável min máx Step Resolution
𝑐𝑡 1250 1400 75 3
𝑡1 0,1 0,3 0,05 5
𝑐𝑡𝑖𝑝 100 300 50 5
𝑡2 0,05 0,25 0,05 5
𝑏𝑡 450 750 50 7
𝑐𝑟𝑜𝑜𝑡 500 900 100 5
𝑑 100 500 100 5
𝛼 (𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒) 15 45 10 4
𝑛1 0,05 0,3 0,05 6
𝑛2 0,1 0,5 0,1 5
𝑛3 0,3 0,9 0,1 7
Com esta distribuição de variáveis livres e utilizando 1000 amostras, foram obtidas 180
formas viáveis (respeitam a todas as restrições impostas), número bastante superior ao
mínimo requerido de 88 amostras. O espaço de projeto foi varrido satisfatoriamente,
como mostra o histórico das variáveis na Figura 4-1.
Figura 4-1 - Histórico de Variáveis – Otimização
58
Os fatores de correlação obtidos para a otimização final podem ser encontrados no
Apêndice F .
4.1.2. O processo final de otimização
O processo de otimização utilizou análises sequenciais, como pode ser visto na Figura
4-2. Cada análise é executada por amostra avaliada. Algumas análises possuem
condicionais de entrada. Ou seja, são executadas apenas caso o condicional seja satisfeito.
Estes condicionais são, em geral, os valores das restrições de conformidade da forma,
compartimentação e estabilidade. A análise de CFD, por exemplo, só é executada caso a
forma seja contínua, compartimentável equilibrada/estável. Esta estratégia foi adotada
com o intuito de reduzir o esforço computacional durante a otimização.
Figura 4-2 - Processo de otimização
O processo é iniciado com a modificação dos parâmetros da forma pelo Heeds que serão
inicializados no script de geração da forma (Shape_Gen). Em seguida, após a geração
numérica da forma, caso a forma seja contínua, o script Shape_Files é executado, gerando
uma serie de arquivos de seções e curvas guia para a geração tridimensional da forma.
Com os valores da forma numérica, checa-se a compartimentação e em seguida o peso,
centro de gravidade, equilíbrio e estabilidade. Caso a forma esteja dentro das restrições
impostas, cria-se um modelo tridimensional utilizando VBA e SolidWorks na análise
Shape_Creation. O modelo gerado é importado pelo Star-CCM+ e é montado o setup de
CFD na análise CFD_Setup. O setup é importado na análise CFD_DesignExp e as
simulações para diferentes ângulos de ataque são realizadas. Após o término das
simulações, um arquivo é gerado com os valores dos coeficientes adimensionais de
sustentação, arrasto e momento. Esses coeficientes são importados pela análise
Get_Coeffs, tratados e plotados e, a partir deles, obtidos os valores das constantes
hidrodinâmicas. A análise final, Gliding_Range, importa todos os valores de peso,
equilíbrio, estabilidade, compartimentação, forma e das análises hidrodinâmicas para
realizar o cálculo do Gliding Range da forma avaliada.
59
4.2. Forma ótima e análise hidrodinâmica
4.2.1. Obtenção e análise da Forma
A forma obtida após a série de amostragem e após a otimização final é definida pelos
seguintes parâmetros:
Parâmetro Valor Descrição
𝑐𝑡 1400 mm Corda na linha de centro
𝑡1 0.2 Espessura relativa na linha de centro
𝑐𝑡𝑖𝑝 300mm Corda na ponta da asa
𝑡2 0.15 Espessura no ponto de transição
𝑏𝑡 500mm Meia-Envergadura
𝑐𝑟𝑜𝑜𝑡 900mm Corda na raíz da asa
𝑑 200mm Distância da raiz da asa para o nariz
𝛼 (𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒) 45º Ângulo de recuo da asa
𝑛1 0.3
Meia-boca relativa do ponto de controle 𝑛2 0.2
𝑛3 0.8
Volume Deslocado ≈ 93.56 𝑑𝑚³ N/A
Área Molhada ≈ 1.772 𝑚² N/A
LCB (forma inteira) ≈ 625 𝑚𝑚 N/A
Imagens da forma podem ser vistas nas Figura 4-3 a Figura 4-7:
60
Figura 4-3 - Vista Superior do BWBUG
Figura 4-4 - Vista Superior da Forma - Modelagem 3D
Figura 4-5 - Vista Lateral da Forma - Modelagem 3D
61
Figura 4-6 - Vista Frontal da Forma - Modelagem 3D
Figura 4-7 - Vista Isométrica Traseira da Forma - Modelagem 3D
Em comparação com a forma obtida por C. Sun et al [22], o AUG apresentou significativa
redução na envergadura (𝑏𝑡) e considerável aumento da meia-boca relativa (𝑛3). Estas
mudanças são traduzidas em um consequente aumento do volume do corpo central, em
detrimento da perda de volume e área das asas.
Durante a parametrização, as baterias foram distribuídas apenas na região do corpo
central, em especial no compartimento de energia e de eletrônica. Portanto, para formas
semelhantes, um aumento de área das asas incorreria em aumento da sustentação,
acompanhado, no entanto, em aumento de arrasto – dado o aumento da área molhada,
como mostra o Gráfico 4-1. Por outro lado, um aumento de volume do corpo central
62
(diminuição da envergadura) incorreria em uma diminuição da sustentação total, como
mostra o Gráfico 4-2, assim como do arrasto.
Gráfico 4-1 - Correlação de meia-envergadura com área molhada
Gráfico 4-2 - Correlação Sustentação x Meia-Envergadura
O aumento da envergadura, portanto, durante a exploração de alternativas de projeto,
apresentou algumas desvantagens. Em geral, traduzindo como um trade-off de projeto, o
aumento da asa aumenta a sustentação e o volume do veículo. Para compensar o aumento
de volume total e manter-se dentro das restrições de peso e equilíbrio, diminui-se o
volume do corpo central e, consequentemente, o volume disponível para instalação de
baterias recarregáveis. Em geral, a diminuição de energia disponível não é compensada
por grandes aumentos de L/D gerados pelo aumento da envergadura das asas e, portanto,
R² = 0.6498
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
1.05
400 450 500 550 600 650 700
Mei
a Á
rea
Mo
lhad
a (m
²)
Meia-Envergadura (mm)
Correlação Área Molhada x Meia-Envergadura
R² = 0.0197
10
11
12
13
14
15
16
17
18
400 450 500 550 600 650 700
Sust
enta
ção
(N
)
Meia-Envergadura (mm)
Correlação Sustentação x Meia-Envergadura
63
os maiores raios de ação foram atribuídos a formas com envergaduras de
aproximadamente 1m. Os Gráfico 4-3 a Gráfico 4-5 traduzem o exposto nos últimos
parágrafos. O L/D mostrado não corresponde ao L/D máximo, mas sim o L/D para a
velocidade e ângulo de planeio que garantem maior raio de ação para cada forma.
Gráfico 4-3 - Correlação L/D x Gliding Range
Gráfico 4-4 - Correlação bt x Volume
Gráfico 4-5 - Energia Disponível x Envergadura
R² = 0.5768
6.00E+02
7.00E+02
8.00E+02
9.00E+02
1.00E+03
1.10E+03
1.9 2.1 2.3 2.5 2.7
Glid
ing
Ran
ge (
km)
L/D
Correlação L/D x Gliding Range
R² = 0.1548
0.00E+00
5.00E+07
1.00E+08
1.50E+08
2.00E+08
2.50E+08
400 450 500 550 600 650 700 750 800Vo
lum
e Ex
tern
o (
mm
³)
Meia-Envergadura - bt (m)
Correlação bt x Volume
30
35
40
45
50
400 450 500 550 600 650 700
Ener
gia
Dis
po
nív
el (
MJ)
Meia-Envergadura (mm)
Enegia Disponível x Envergadura
64
Conquanto não estivesse sendo avaliado durante o processo de otimização, a diminuição
da envergadura adiciona ainda algumas vantagens para a forma, como facilidade de
modularização das asas e maior portabilidade do veículo.
Com o aumento da meia-boca relativa (𝑛3), uma das consequências foi a proximidade no
valor das espessuras relativas (𝑡1) e (𝑡2) que, outra vez, mantem a transição entre e corpo
e asa bastante suave, como pode ser visto na Figura 4-6. A suavidade das transições da
forma contribui para a diminuição do arrasto [33] e, consequentemente, para melhor
desempenho aerodinâmico, retardando a indução de turbulência. No bordo de fuga
também se percebe a suavidade que evita descolamentos e perda de sustentação [15].
Outro ponto importante foi a alta utilização de volume total disponível. A restrição de
peso total imposta limita o volume total do veículo a 93.65dm³, enquanto o volume obtido
foi de 93.56dm³. Isto, mais uma vez, mostra o quão relevante é o volume interno
disponível na obtenção de grandes valores de raios de ação.
A formulação de conformidade como restrição mostrou-se bastante eficaz e evitou formas
como a mostrada na Figura 4-8, o que permitiu não reduzir demasiadamente a faixa de
varredura dos parâmetros da forma (ou até mesmo fixá-los) como foi feito em C. Sun et
al [41]. Em consequência, formas inusitadas, porém contínuas, foram analisadas,
elevando a capacidade de exploração da otimização e imbuindo criatividade e inovação
ao projeto.
Figura 4-8 - Forma descontínua – Exemplo
65
4.2.2. Análises hidrodinâmicas
Os valores dos coeficientes adimensionais, dos coeficientes normalizados (multiplicados
por 1
2𝜌Ω) e das curvas definidas pelas constantes hidrodinâmicas são mostrados,
respectivamente, na Tabela 4-2, na Tabela 4-3 e no Gráfico 4-6. É importante salientar
que as análises foram feitas com o casco nu. A avaliação da influência de dispositivos
externos ao casco deve ser realizada em um segundo momento de projeto.
Tabela 4-2 - Coeficientes Adimensionais
Ângulo de ataque
(º) 𝑪𝑫 𝑪𝑳 𝑪𝑴
0 0.0072 0.0001 0.0001
5 0.0099 0.0646 0.03396
10 0.0192 0.1352 0.07356 Tabela 4-3 - Coeficiente normalizados
Ângulo de ataque
(º)
𝟏
𝟐𝝆𝛀𝑪𝑫(
𝒌𝒈
𝒎)
𝟏
𝟐𝝆𝛀𝑪𝑳(
𝒌𝒈
𝒎)
𝟏
𝟐𝝆𝛀𝑪𝑴(
𝒌𝒈
𝒎)
0 6.505 0.1332 0.0913
5 8.97 58.6338 30.8153
10 17.4026 122.699 66.7454
Gráfico 4-6 - Regressão dos Coeficientes de Arrasto, Sustentação e Momento, todos normalizados
66
Os resultados foram bem ajustados pelo modelo proposto por Graver [15], como visto
nos gráficos apresentados, e, a partir deles, os valores das constantes hidrodinâmicas
foram obtidos, como apresentado na Tabela 4-4. Recorda-se que o modelo proposto não
considera que o veículo operará na região de estol. Ou seja, os valores são mais precisos
quanto menores os ângulos de ataque 𝛼.
Tabela 4-4 - Constantes Hidrodinâmicas
𝑲𝑫𝟎
(kg/m)/rad
𝑲𝑫
(kg/m)/rad
𝑲𝑳𝟎
(kg/m)/rad
𝑲𝑳
(kg/m)/rad
𝑲𝑴𝟎
(kg/m)/rad
𝑲𝑴
(kg/m)/rad
6.3271 362.6129 -0.0266 696.7882 -0.0182 376.56
Com os valores das constantes hidrodinâmicas pode-se interpolar valores de coeficientes
adimensionais para vários ângulos e, assim, obter uma curva de L/D para a forma
resultante, como pode ser visto no Gráfico 4-7. Os maiores valores de L/D residem em
uma faixa de ângulos que varia entre 6º e 8º, como esperado de perfis NACA00xx [41].
Gráfico 4-7 - Razão de L/D
O valor de L/D máximo obtido pode ser comparado com os dos principais gliders na
Tabela 4-5 [41].
Tabela 4-5 - Comparação de L/D Máximo
Forma Ótima Slocum Spray Seaglider
L/D Máximo 7.3 6.85 6.23 4.44
𝛼 (º) 7.5 9.38 12.27 13.36
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12L/D
Ângulo de Ataque
Razão L/D
67
4.3. Integração dos sistemas e compartimentação
4.3.1. Compartimentação Geral
A vista geral dos compartimentos pode ser vista na Figura 4-9.
Figura 4-9 - Compartimentação - Vista Geral
Ressalta-se que, como destacado na seção 3.2.2.4, parte da forma não foi utilizada para a
compartimentação e pode ser futuramente convertida em superfícies de controle ou
utilizada para instalação de estabilizadores. A comunicação entre compartimentos é
garantida por pinos de comunicação capazes de manter a estanqueidade. Destaca-se que
a criação e posicionamento de plataformas de apoio para os dispositivos não era objetivo
deste projeto, mas apenas o posicionamento e checagem na forma. Como pode ser visto,
a forma foi aprovada em compartimentação, uma vez que comporta todos os dispositivos
e sistemas responsáveis pelas operações do veículo, sem choques entre os blocos que os
definem ou entre os blocos e as fronteiras da forma (salvo os dispositivos que assim o
requisitam). Destaca-se também o esforço em diminuir o centro de gravidade,
posicionando os dispositivos sempre que possível próximo à parte inferior do casco.
4.3.2. Compartimento Molhado
O compartimento molhado “Wet”, necessário e presente na grande maioria dos gliders
[5], está localizado na proa e abriga grande parte dos sensores de payload, além do
diafragma externo, de suma importância para o sistema de variação de empuxo. A Figura
68
4-10 mostra o compartimento, a posição da antepara e blocos dos dispositivos
embarcados.
Figura 4-10 - Compartimento molhado ("WET")
4.3.3. Compartimento de Energia
Figura 4-11 - Compartimento de Energia A) e B) detalhe do arranjo de baterias
O arranjo das baterias no módulo de governo pode ser visto na Figura 4-11, possuindo 31
baterias nas linhas completas e 18 nas linhas destinadas à variação do centro de gravidade
transversal do veículo.
69
O arranjo prioriza o número de baterias, com densidade (Área do círculo externo/Área de
baterias) de aproximadamente 78,31%. As baterias deverão ser envolvidas/empacotadas
para evitar movimentação durante a operação. As baterias centrais serão envolvidas pelo
eixo de movimentação do sistema de governo.
A placa solar foi posicionada sobre este compartimento para facilitar a sua conexão ao
sistema de energia e foi capaz de gerar cerca de 20% da energia utilizada pelo veículo por
ciclo, valor bastante considerável.
4.3.4. Compartimento do VBS
O compartimento do sistema de variação de empuxo (VBS) é relativamente curto e abriga
apenas as bombas e acionadores elétricos responsáveis pelo fluxo de óleo hidráulico entre
os reservatórios internos e o diafragma externo. O compartimento e os blocos de
dispositivos podem ser vistos na Figura 4-12.
Figura 4-12 - Compartimento do VBS
4.3.5. Compartimento das asas
As asas foram utilizadas para abrigar os dispositivos de monitoramento e os hidrofones.
A Figura 4-13 ilustra o compartimento.
Figura 4-13 - Compartimento das Asas
70
Os compartimentos de ambas as asas são simétricos e possuem os mesmos dispositivos.
O compartimento deverá ser confeccionado com materiais transparentes, como acrílico,
para que não sejam necessárias aberturas no casco. Caso outra opção de projeto seja eleita,
novas análises devem ser realizadas para compreender a influência da configuração
proposta no arrasto do veículo.
4.3.6. Compartimento de eletrônica
O compartimento de eletrônica abriga todos os dispositivos que realizam o tratamento e
controle dos dados obtidos durante a operação. O compartimento pode ser visto na Figura
4-14. Percebe-se que é um compartimento com um grande aglomerado de dispositivos.
Entretanto, consideraram-se folgas de aproximadamente 10mm em cada uma das direções
dos blocos que representam os dispositivos, valor considerado suficiente para comportar
no compartimento, além dos dispositivos, cabeamento e conexões.
Figura 4-14 - Compartimento de Eletrônica
4.4. Topologia estrutural
A topologia estrutural foi desenvolvida de acordo com as considerações feitas em He et
al [30] e sugere elementos estruturais para garantia da integridade do veículo em
operação. Análises mais detalhadas devem ser realizadas para atestar a integridade
estrutural do veículo e garantir sua operacionalidade. O arranjo sugerido dos elementos
pode ser visto na Figura 4-15.
71
Figura 4-15 – Topologia Estrutural – A) Elementos Estruturais do veículo, B) Arranjo da estrutura
Ressalta-se a inexistência de nervuras, anéis ou longarinas na região molhada. Esta
sugestão surge do entendimento de que há igualdade de pressões internas e externas no
compartimento, enquanto em operação e, por conta disso, as tensões atuantes nesta região
são desprezíveis. As anteparas são utilizadas como elementos estruturais e são capazes de
oferecer estanqueidade aos compartimentos, o que resulta em maior confiabilidade do
veículo em caso de avaria.
4.5. Equilíbrio e Estabilidade
Os resultados de equilíbrio e estabilidade são traduzidos pelos valores de posição do
centro de gravidade, deslocamento e peso total, posição do centro de carena com o
diafragma meio cheio e, finalmente, pela curva de estabilidade estática para a operação
submersa (curva BG).
Têm-se:
𝐶𝑜𝐵 = (628.8 𝑚𝑚, 0,0)
𝐶𝑜𝐵∗ = (678.6 𝑚𝑚, 0,0)
𝐶𝑜𝐺∗ = (678.6 𝑚𝑚, 7.06𝑚𝑚, 0)
Com isso, o trim máximo e mínimo ficam definidos como 41.14º e -41.14º, enquanto a
banda máxima é de 41.56º para ambos os bordos, utilizando o módulo de baterias com
movimentação de até 100mm.
A diferença entre peso e deslocamento foi de 3.9% , abaixo do erro estabelecido de 10%,
valor utilizado com critério. O peso içado foi de 95.88kg, abaixo de 96kg, valor utilizado
72
como critério. Em geral, no projeto de AUVs, a diferença entre peso e deslocamento pode
ser compensada pela adição de espumas (que aumentam o deslocamento) adição de pesos
fixos (que aumentam o peso total) ou redução do peso da estrutura. No caso do presente
projeto, como o fator de maior incerteza é a estrutura, considerou-se uma redução no peso
da estrutura capaz de anular o erro entre peso e deslocamento. Estudos adicionais devem
ser realizados em uma segunda etapa do projeto para avaliação desta decisão.
Como, após a correção de peso, no momento do lançamento o veículo possuirá
flutuabilidade neutra, deverá submergir totalmente até que alcance o equilíbrio. Para
aumentar a flutuabilidade no momento da comunicação, o diafragma externo deverá ser
inflado. Com o auxílio do sistema de variação de roll, que no momento de lançamento se
encontrará em posição neutra, o veículo adotará posição de inclinação máxima (41º com
relação à vertical) para emergir a sua antena, que estará localizada ao fundo do veículo.
Assume-se a hipótese de que o veículo não emergirá volume significativo do seu casco
para que a estabilidade e o equilíbrio sejam afetados.
A curva de estabilidade pode ser vista na Figura 4-16. GZ1 refere-se à curva para a
posição de repouso (0º de rotação) do módulo de governo. GZ2 refere-se à curva para a
posição de máxima rotação (90º) do módulo de governo. Percebe-se que, em ambos os
casos, o veículo possui estabilidade positiva, passando, portanto, no critério de
estabilidade.
Figura 4-16 - Curva de estabilidade estática
73
4.6. Raio de ação e região de operação
O raio de ação foi a função objetivo da otimização realizada e representa o potencial
econômico do veículo. Quanto maior o raio de ação, maior a quantidade de resultados
que serão gerados, menor a necessidade de intervenção humana e, portanto, maior a
viabilidade financeira da aplicação deste tipo de tecnologia para o monitoramento de
vazamento de gás em poços de petróleo descomissionados/abandonados. A Figura 4-17
mostra um gráfico de contornos capaz de ilustrar bem a relação entre velocidade de
planeio, ângulo de planeio e raio de ação. A área delimitada pela linha “Operation Limit”
é considerada exequível, dada a capacidade de variação de empuxo e de variação de pitch
do veículo. Percebe-se que o ponto de máximo raio de ação não está interno à área
operacional. Isto ocorreu por conta da impossibilidade de se alcançar velocidades maiores
com o sistema de variação de empuxo utilizado, levando-se em conta a formulação de
equilíbrio de forças durante um planeio em estado permanente, restrito ao plano vertical.
Figura 4-17 - Raio de Ação x Velocidade de Planeio x Ângulo de Planeio
Uma das soluções para etapas posteriores do projeto seria parametrizar o sistema de
variação de empuxo em função do raio de ação para que o veículo pudesse operar sempre
na região de maior eficiência.
Salienta-se, também, sobre a capacidade de obtenção de maiores raios de ação para perfis
operacionais mais econômicos. No caso analisado, o perfil operacional é composto por
uma série de outros perfis. Restringindo-se a operação a um perfil mais econômico, como
o perfil Gliding Basic, descrito na seção 3.2.3, com os sensores básicos para a operação
74
do veículo, o raio de ação máximo aumentaria em cerca de 70%, de acordo com análises
realizadas após a otimização
A Figura 4-18 mostra a relação entre os ângulos de planeio (𝛾), de pitch (𝜃) e de ataque
(𝛼). Sabe-se, das análises hidrodinâmicas, que o melhor L/D ocorre para ângulos de
ataque entre 6º e 8º (em módulo, por ser um aerofólio simétrico). Entretanto, o melhor
raio de ação ocorre para ângulo de planeio de aproximadamente 19º, o que incorre em um
ângulo de ataque de aproximadamente 1.8º. Isto ocorre porque, além da relação entre
ângulos, existe uma relação entre ângulo de planeio e velocidade horizontal, definidas
pelas equações de movimento do glider que, por sua vez, relaciona-se com o consumo
dos sistemas embarcados. Assim, a função final depende da velocidade, da relação de
L/D e do ângulo de gliding.
Figura 4-18 - Relação entre ângulos
O Gráfico 4-8 mostra a relação entre a velocidade horizontal (considerando o referencial
inercial) e o ângulo de planeio (𝛾). Segundo S. Jenkins et al [5], o ângulo de máxima
velocidade ocorre em regiões próximas a 36º. Como pode ser visto, confirma-se a
afirmação.
75
Gráfico 4-8 - Velocidade Horizontal x Angulo de Planeio
Gráfico 4-9 - Consumos x Ângulo de Planeio
Os consumos, por categoria, são mostrados no Gráfico 4-9. Como esperado, a ocorrência
de maiores velocidades horizontais em 36º diminui o tempo de planeio e,
consequentemente, o consumo dos sistemas de operação contínua neste ângulo.
Entretanto, como os consumos do sistema de variação de empuxo e do sistema de governo
(Pitch) não dependem do tempo de planeio, mas da quantidade de planeios por distância
percorrida, esses consumos possuem mínimos em ângulos 𝛾 menores. Portanto, o
consumo total ocorre para ângulos de planeio próximos de 20º, coerente com o valor de
ângulo de planeio para o máximo raio de ação mostrado na Figura 4-17.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 20 40 60 80 100
Vel
oci
dad
e (m
/s)
Ângulo de Gliding 𝛾(º)
Velocidade Horizontal x Angulo de Gliding
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100
Co
nsu
mo
(J/
m)
Ângulo de Planeio (º)
Consumos x Ãngulo de Planeio
Consumo Sistemas
Consumo VBD
Consumo Pitch
Consumo Total
76
Um resumo dos valores obtidos na otimização pode ser visto na Tabela 4-6.
Tabela 4-6 - Gliding Range
Gliding
Range (km)
Velocidade
Correspondente
(m/s)
Ângulo de Planeio
Correspondente
(º)
Autonomia em
dias
1035 0.6 19 20
4.7. Área atendida
A Figura 4-19 mostra da região atendida pelo glider dado o raio de ação de 1035km.
Figura 4-19 - Área de atuação - BWBUG
Como se pode observar, uma vez lançado no centro do Mar do Norte, toda a região da
costa do Reino Unido e costa oeste norueguesa poderão ser monitorados com apenas 1
veículo. Adotando-se uma estratégia de lançamento de vários veículos intercomunicantes,
a região coberta pode ser tão maior quanto a quantidade de veículos que se empregue.
77
Capítulo 5
Conclusão
Após a criação de uma metodologia de projeto adaptada para aplicação em
desenvolvimento de veículos subaquáticos autônomos e geração dos resultados do projeto
preliminar de um BWBUG com boa performance hidrodinâmica, com raio de ação
bastante satisfatório, atendendo aos requisitos de projeto como equilíbrio e estabilidade,
com capacidade de embarcar todos os sistemas e incluindo criatividade e inovação ao
processo de otimização realizado, utilizando esta metodologia, consideram-se atendidos
os objetivos deste escopo. Considera-se também haver esclarecido, satisfatoriamente,
alguns questionamentos gerados pela lacuna descrita no início deste projeto, como
superioridade na performance hidrodinâmica pra a configuração BWB, possibilidade de
espaço interno das asas e facilidade de distribuição de peso.
Diferente do exposto em outros autores, como C. Sun et al [22], analisa-se e avalia-se o
projeto, neste estudo, a partir de um abordagem heurística, não limitada aos resultados de
uma análise de um único fator, mas buscando o entendimento contextualizado e mais
abrangente do projeto de um AUG, sintetizando-o a partir de diferentes análises, levando
em consideração as diferentes peculiaridades, funções e objetivos de cada fator.
Como sugestão para trabalhos futuros, destacam-se:
• A criação de método de otimização da compartimentação/arranjo de veículos
subaquáticos autônomos baseados nos parâmetros e características da forma e na
missão do objeto de projeto, com aplicação em softwares de modelagem 3D.
Como a compartimentação e arranjo possuem impacto direto na distribuição de
peso do veículo e consequentemente no seu equilíbrio e estabilidade estáticos e
equilíbrio de gliding, é de grande importância que arranjos otimizados sejam
obtidos, minimizando erros e refinando o processo de projeto.
• A elaboração de algoritmo de controle do veículo, utilizando, além dos módulos
de governo e de variação de empuxo, superfícies de controle como lemes e
ailerons, para melhoria da navegabilidade do veículo e consequente aumento da
sua confiabilidade;
78
• Desenvolvimento de equações de manobrabilidade para aplicação em simuladores
de manobra específicos para veículos subaquáticos, para simulações em diferentes
ambientes, com diferentes profundidades, com batimetrias conhecidas, e
avaliação prévia da performance do veículo;
• Estudos detalhados e validação dos resultados hidrodinâmicos a partir de análises
em CFD, para garantia de que os resultados obtidos durante o processo de
otimização sejam confiáveis do ponto de vista hidrodinâmico;
• Estudo da performance hidrodinâmica utilizando diferentes perfis, além do
NACA00xx adotados neste projeto, para verificar a efetividades de perfis não
simétricos e/ou de outros perfis simétricos que porventura possam ser mais
adequados para a composição da forma;
• Integração de um módulo de otimização estrutural, considerando a profundidade
de operação, a compartimentação e a forma do veículo, devido à grande
importância da estrutura no projeto de veículos subaquáticos, especialmente nos
que operam a grandes profundidades, onde a pressão pode ser um fator limitante
de projeto;
• Inclusão de fatores econômicos, como custos operacionais, e utilização de
otimização multiobjectivo, com o intuito de encontrar formas mais eficientes;
Percebe-se que cada uma das sugestões listadas se configura como um detalhamento nos
blocos do fluxograma interativo apresentado neste escopo, o que valida e confirma, uma
vez mais, o potencial da metodologia de projeto sugerida.
79
Bibliografia
[1] R. Carreteiro, “Cenário Global do descomissionamento 2018-2022,” Brasil
Energia Petróleo, 16 Fevereiro 2018. [Online]. Available:
https://bepetroleo.editorabrasilenergia.com.br/cenario-global-do-
descomissionamento-2018-2022/. [Acesso em January 2019].
[2] K. Mandel, “Abandoned North Sea wells may be leaking "significant" amounts of
methane, study warns,” Oil & Gas iQ, 20 September 2017. [Online]. Available:
https://www.oilandgasiq.com/strategy-management-and-
information/articles/abandoned-north-sea-wells-may-be-
leaking?utm_campaign=OGIQ%20NL%2017%2009%2026.htm&utm_medium=
email&utm_source=internalemail&MAC=OGIQ1-DVQY0JD%7C1-
2WOV23Q&elqContactId=687223&disc=. [Acesso em January 2019].
[3] S. Woord, “Autonomous Underwater Gliders,” Florida Institute of Technology,
2008, pp. 505-529.
[4] J. Barth, A. Erofeev, Z. Kurokawa, P. Mazzini, C. Ordoñez, G. Saldias e A.
Sanchez, “How to user Autonomous Underwater Vehicle Gliders to make your
oceanography better,” College of Oceanic and Atmospheric Sciences.
[5] D. E. H. J. S. Scott A. Jenkins, Underwater Glider System Study, San Diego: UC
San Diego - Scripps Institution of Oceanography Technical Report, 2003.
[6] A. Anon, “Submarines and Submersibles,” Anon, Anon.
[7] C. Stringer, “Evolution of early humans,” em The Cambridge Encyclopedia of
Human Evolution, Cambridge, Cambridge University Press, 1994, p. 242.
[8] N. Cross, Engineering Design Methods, 3ª ed., JOHN WILEY & SONS, 2000.
80
[9] Project Management Institute, A Guide to the Project Management Body of
Knowledge (PMBOK® Guide), Pennsylvania: Project Management Institute,
2017.
[10] A. Papanikolaou, Ship Deisgn - Methodologies of Preliminary Design, Atenas:
Springer, 2014.
[11] J. H. Evans, “Basic Design Concepts,” A.S.N.E Journal, pp. 671-678, Novembro
1959.
[12] T. Lamb, “A Ship Design Procedure,” Marine Technology, pp. 362--405, Outubro
1969.
[13] J. C. Jones, “A Method of Systematic Design,” em Developments in Design
Methodology, Chicester, John Wiley & Sons, 1984.
[14] R. D. Schachter, A. C. Fernandes, C. Gomes Jordani, G. A. V.de Castro e S.
Bogosian, “O Método 'Processo de Projeto com Foco na Solução' Aplicado a
Projetos Navais e Plataformas,” XXI Congresso Nacional de Transportes
Marítimos e Construção Naval, SOBENA, Novembro 2006.
[15] J. G. Graver, “Underwater Gliders: Dynamic, Control and Design,” Princeton,
2005.
[16] C. Hockley e Brian Butka, “IEEE Earthzine,” IEEE, 11 December 2017. [Online].
Available: https://earthzine.org/going-deep-to-go-far-how-dive-depth-impacts-
seaglider-range/. [Acesso em January 2019].
[17] T. Ranganathan e A. Thondiyath, “Design and Analysis of Cascaded Variable
Buoyancy Systems for,” em 13th International Conference on Informatics in
Control, Automation and Robotics (ICINCO 2016) - Volume 2, 2016.
[18] C. Eriksen, J. Osse, R. Light, T. Wen, T. Lehman, P. Sabin, J. Ballard e A. Chiodi,
“Seaglider: A Long-Range Autonomous Underwater,” IEEE JOURNAL OF
OCEANIC ENGINEERING, pp. 424-436, October 2001.
81
[19] K. Asawaka, K. Watari, H. Ohuchi, M. Nakamura e T. Hyakudome, “Buoyancy
engine developed for underwater gliders,” Advanced Robotic, pp. 41-49, 2016.
[20] J. LeSage, R. Longoria e W. Shutt, “Modeling and Synthesis Methods for Retrofit
Design of Submarine Actuation Systems,” Office of Naval Research, Austin, 2011.
[21] M. Renilson, “Hydrostatics and Control,” em Submarine Hydrodynamics, 2015,
pp. 5-17.
[22] C. Sun, B. Song, P. Wang e X. Wang, “Shape optimization of blended-wing-body
underwater glider by using gliding range as the optimization target,” International
Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, pp. 1-12, 2017.
[23] R. McLendon, “Types of offshore oil Rigs,” mnn, May 2010. [Online]. Available:
https://www.mnn.com/earth-matters/energy/stories/types-of-offshore-oil-rigs.
[Acesso em January 2019].
[24] G. Watkins, “Characteristics of North Sea oil reserve appreciation,” The Quarterly
Review of Economics and Finance, pp. 335-372, 15 January 2002.
[25] Wikipédia, “Mar do Norte,” [Online]. Available:
https://pt.wikipedia.org/wiki/Mar_do_Norte. [Acesso em January 2019].
[26] “Ocean Currents,” Seos Project, [Online]. Available: http://www.seos-
project.eu/modules/oceancurrents/oceancurrents-c01-p09.html. [Acesso em
January 2019].
[27] R. Davis, D. Webb, L. Regier e J. Dufour, “The Autonomous Langrangian
Circulation Explorer (ALACE),” Journal of Atmospheric and Oceanic
Technology, vol. 9, pp. 264-285, 1991.
[28] O. A., “Limite de peso recomendado: Legislação, conceitos, NIOSH,” Ergotriade:
Engenharia e Gestão de Ergonomia, 29 July 2016. [Online]. Available:
https://www.ergotriade.com.br/single-post/2016/07/29/Qual-%C3%A9-o-Limite-
de-Peso-Recomendado-Legisla%C3%A7%C3%A3o-Conceitos-NIOSH-e-5-
Dicas. [Acesso em January 2019].
82
[29] Amanda, “Small Boat Launches,” [Online]. Available:
http://blogs.oregonstate.edu/gliders/files/2009/04/rowboat_launch.jpg.
[30] Y. He, B. Song e Y. Cao, “Structural Optimization of an Underwater Glider with
blended wing body,” Advances in Mechanical Engineering, pp. 1-11, June 2017.
[31] R. Simoni, “Teoria Local das Curvas,” Universidade Federal de Santa Catarina,
Florianópolis, 2005.
[32] “NACA 4 Digit Airfoil Generator,” [Online]. Available:
http://airfoiltools.com/airfoil/naca4digit. [Acesso em January 2019].
[33] Y. Singh, S. Bhattacharyya e V. Idichandy, “CFD approach to modelling,
hydrodynamic analysis and motion characteristics of a laboratory underwater
glider with experimental results,” Journal of Ocean Engineering and Science, pp.
90-119, 2017.
[34] E. Specht, “The best known packings of equal circles in a circle,” 12 August 2014.
[Online]. Available: http://hydra.nat.uni-magdeburg.de/packing/cci/cci.html.
[Acesso em Janeiro 2019].
[35] U. Pirl, “Der Mindestabstand von n in der Einheitskreisscheibe gelegenen
Punkten,” Mathematische Nachrichten, pp. 111-124, 1969.
[36] E. Nick, “Fuzzy Optimal Allocation and Arrangment of Spaces in Naval Surface
Ship Design,” 2008.
[37] B.-Y. Chung, S.-Y. Kim, S.-C. Shin, Y.-H. Koo e A. Kraus, “Optimization of
compartments arrangement of submarine pressure hull with knowledge based
system,” International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, pp.
254-262, 2011.
[38] J. Sherman, R. E. Davis, W. B. Owens e J. Valdes, “Autonomous Underwater
glider "Spray",” IEEE Journal of Oceanic Engineering, pp. 437-446, October
2001.
83
[39] A. Bender, D. M. Steinberg, A. L. Firedman e S. Williams, “Analysis of an
Autonomous Underwater Glider,” University of Sydney, Sydney, 2006.
[40] Red Cedar Technology, “A Benchmark Study of Optimization Search
Algorithms,” Michigan.
[41] C. Sun, B. Song e P. Wang, “Parametric geometric model and shape optimization
of and unerwater glider with blender-wing-body,” International Journal of Naval
Architecture and Ocean Engineering, pp. 995-1006, 2015.
[42] N. Chase, “How many design evaluation do I need in a parameter optimization
study using SHERPA?,” 2018.
[43] “CTD stands for conductivity, temperature, and depth, and refers to a package of
electronic instruments that measure these properties.,” Marine and Petroleum
Geology, pp. 766-775, 2015.
[44] S.-B. Scientific, “SeaExplorer Glider Sets Endurance Record with a Sea-Bird
Glider Payload CTD,” Geo-Matching, [Online]. Available: https://geo-
matching.com/content/seaexplorer-glider-sets-endurance-record-with-a-sea-bird-
glider-payload-ctd. [Acesso em January 2019].
[45] J. Wang, H. Zhang, Y. Wang, Y. Liu, Z. Wu, Y. Liang e M. Yang, “Dynamic
Simulation of Buoyance Engine of Underwater Glider Based on Experimentation,”
IEEE, 2017.
[46] M. Pereira, “Projeto e Desenvolvimento dos Sistemas de Controle de Submersão
e dirigibilidade de um Veículo Subaquático Autônomo,” Universidade Federal do
Rio de Janeiro - Escola Politécnica, Rio de Janeiro, 2015.
A–1
Esboços (Sketching)
Figura 6-1 - Sketch Inicial - Vista Superior
A–2
Figura 6-2 - Sketch Inicial - Vista Lateral
B–1
Matriz de Fatores
Tabela 6-1 - Matriz de Fatores
Fator de Projeto Disciplina Classificação Output Interação Entrada Interação Saída Ferramenta
Missão VTE VL
Restrição de
dimensões/Restrição de
Peso/Velocidade/Autonomi
a/Profundidade/Característic
as de Operação
--
Parâmetros da Forma/Sistemas
(todos)/Peso e
CG/Estrutura/Equilíbrio e
Estabilidade/Sistema de
Governo/Gliding Range
Excel/Word
Parâmetros da Forma AN VL Valores dos parâmetros Missão Forma Python/HEEDS
Forma AN C/F FormaMissão/Parâmetros da
Forma
Compartimentação/Estrutura/Pes
o e CG/Equilíbrio e
Estabilidade/Parâmetros
Hidrodinâmicos
Python/VBA/SolidWorks
Parâmetros Hidrodinâmicos HID F
Coeficientes Adimensionais
(CL,CD,CM) e Constantes
(KL,KD,KM)
Forma Gliding Range STAR-CCM+/Python
Sistema de Monitoramento AN FPeso, consumo energético e
dimensõesMissão
Controle/Balanço
Elétrico/CompartimentaçãoExcel/Catálogos
Sistemas de Comunicação EL FPeso, consumo energético e
dimensõesMissão
Controle/Balanço
Elétrico/CompartimentaçãoExcel/Catálogos
Sistema de Sensoramento EL FPeso, consumo energético e
dimensõesMissão
Controle/Balanço
Elétrico/CompartimentaçãoExcel/Catálogos
Sistema de Navegação EL FPeso, consumo energético e
dimensõesMissão
Controle/Balanço
Elétrico/CompartimentaçãoExcel/Catálogos
B–2
Sistema de Variaçao de Empuxo
(VBS)AN/HID/EL F
Peso, consumo energético e
dimensõesMissão
Controle/Balanço
Elétrico/Compartimentação/Equil
íbrio e Estabilidade/Gliding Range
Excel/Catálogos/Python
Sistema de Controle HID/EL FPeso, consumo energético e
dimensõesMissão/Sistemas Balanço Elétrico Excel/Catálogos
Compilação dos Sistemas EL F Balanço elétricoMissão/Consumo
SistemasSistema de Energia/Gliding Range Excel/Python
Sistemas de Energia AN/HID/EL PS/FPeso, energia disponível,
dimensões
Missão/Balanço
Elétrico/Sistemas
Balanço
Elétrico/Compartimentação/Glidi
ng Range
Excel/Python/Catálogos
Sistema de Governo AN/EL FPeso, dimensões,
configuração
Missão/Sistema de
Energia
Balanço
Elétrico/Compartimentação/Glidi
ng Range
Excel/Python
Compartimentação AN C/RPosição dos dispositivos/CoG
dos dispositivosMissão/Forma/Sistemas
Equilíbrio e
Estabilidade/Estrutura/Peso e CGExcel/Python
Estrutura (Preliminar) EST C/R/F/PSPeso/CoG/Tensões e
deformaçõesForma/Compartimentação Peso e CG Python
Peso e CG AN F Peso e CoGForma/Compartimentação
/Estrutura
Equilíbrio e Estabilidade/Gliding
RangePython
Equilíbrio e Estabilidade AN R/FCurva BG/Trim e
Banda/Pesos de correção
Forma/VBS/Compartimen
tação/Peso e CGGliding Range Python
Gliding Range VTE/HID/EL/AN R/PSGliding Range, Velocidade,
Ângulo de Planeio
Parâmetros
Hidrodinâmicos/VBS/Bala
nço Elétrico/Sistema de
Energia/Sistema de
Governo/Peso e
CG/Equilibrio e
Estabilidade
-- Python
B–3
Tabela 6-2 - Legenda da matriz de fatores
AN
VTE
EL
HID
EST
VL
R
PS
C
F
Variável Livre
Restrição
Fator de Desempenho
Configuração
Funcional
Arquitetura Naval
Legenda:
Viabilidade Técnico-Econômica
Eletrônica
Hidrodinâmica
Estruturas
C–1
Matriz de Interação
Tabela 6-3 - Matriz de Interação
Missão X X X X X X X X X X X
Sistema de comunicação X X X X X X X
Payload X X X X X X X
Sistema de navegação X X X X X X X
Sistema de variação de empuxo (VBS) X X X X X X X X
Parâmetros da forma X X
Forma X X X X X X X X X X
Sistema de Controle X X X X X X X X X X
Sistema de Energia X X X X X X X X X X X
Sistema de Governo X X X X X X X X X X X X
Compartimentação X X X X X X X X X X X X
Peso e CoG X X X X X X X X X X X X X
Parâmetros hidrodinâmicos X X
Estrutura X X X X
Equilíbrio e Estabilidade X X X X X X
Gliding Range X X X X X X X X X X X X
TOTAL 11 7 7 7 8 2 10 10 11 12 12 13 2 4 6 12
Pe
so e
Co
G
Par
âme
tro
s h
idro
din
âmic
os
Estr
utu
ra
Equ
ilíb
rio
e E
stab
ilid
ade
Gli
din
g R
ange
Par
âme
tro
s d
a fo
rma
Form
a
Sist
em
a d
e C
on
tro
le
Sist
em
a d
e E
ne
rgia
Sist
em
a d
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VB
S)
D–1
Seleção e compilação dos sistemas
a) Sistema de Comunicação:
O veículo possuirá diversos protocolos de comunicação, destinados à atuação em diversos
contextos.
Para comunicação com o veículo em terra, na base operacional, optou-se pela utilização
de um modem Wi-Fi do modelo PicoStation M2HP, da Ubiquiti Networks, link de
comunicação de alta velocidade, com frequência padrão de 2.4 GHz e possibilidade de
conexão direta com cabos de rede RJ45. A antena padrão pode ser substituída, de acordo
com a necessidade do usuário. O modem Wi-Fi pode ser visto na Figura 6-3.
Figura 6-3 - PicoStation - Modem Wi-Fi
Fonte: www.ui.com
Para comunicações de emergência, em caso de necessidade de recuperação do veículo, o
protocolo ARGOS será utilizado. O protocolo possui banda estreita, com velocidade de
comunicação bastante reduzida, ainda assim úteis para mensagens simples de socorro [5].
O modem ARGOS utilizado foi um HAL² da fabricante ELTA. O modem pode ser visto
na Figura 6-4.
D–2
Figura 6-4 - Modem ARGOS - HAL²
Fonte: www.elta.fr
Um dos caminhos principais de comunicação para o AUG em operação é através do
sistema Iridium. Com cobertura mundial e frequência de 1625MHz, é suportado por
satélites militares americanos, com velocidade de comunicação de até 2400 bytes/s. O
modem Iridium selecionado foi um RockBLOCK da Rock Seven Mobile. O dispositivo
é capaz de entrar em modo de espera (sleep), especialmente útil para diminuição do
consumo e aumento da autonomia, um dos requisitos do glider. O grande inconveniente
da utilização do Iridium são os altos custos de transmissão (Cerca de £11,00 para cada 5
kilobytes de dados). O modem Iridium pode ser visto na Figura 6-5.
Figura 6-5 - Modem Iridium
Fonte: www.rock7mobile.com
O modo primário de comunicação, devido ao principal inconveniente do Iridium (custos
elevados), é o protocolo GSM/3G. Com o crescimento das redes móveis nos últimos anos
e oferecimento de pacotes de dados mais econômicos, a utilização de um modem 3G
surgiu como alternativa interessante. O grande inconveniente do protocolo GSM/3G é a
baixa cobertura a grandes distancias da costa. Como é prioritário, o modem GSM sempre
será o canal de comunicação enquanto houver cobertura. Caso cesse a cobertura, o Iridium
D–3
passa a ser o canal de comunicação. Para este projeto, um modem GSM (3G) integrado a
um modem GPS na forma de Arduino Shield 2 foi utilizado. O modem pode ser visto na
Figura 6-6.
Figura 6-6 - Modem 3G
Fonte: www.baudaeletronica.com.br
Para comunicação subaquática, o modem e o transdutor acústicos ATM-900 da empresa
Teledyne foram selecionados por conta da sua ampla utilização em outros veículos
autônomos, portabilidade e baixo consumo. A comunicação acústica permite que uma
rede de gliders comunique-se entre si, com uma rede subaquática ou com um centro de
comando. Além disso, pode funcionar como uma ponte de informações e instruções entre
centros de comando na superfície/continente e os nós (outros veículos, por exemplo)
abaixo d’água. O modem e transdutor podem ser vistos na Figura 6-7.
Figura 6-7 - Modem e Transdutor Acústicos
Fonte: www.auvac.org
2 Arduino Shields são placas de circuito modulares que plugados a uma placa de Arduino são capazes de
adicionar-lhe funcionalidades extras. Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica open-source
flexível, projetada com um microcontrolador, capaz de criar projetos integrados e interativos de hardware
e software que podem ser controlados fisicamente ou digitalmente.
D–4
b) Sistema de Monitoramento
Os sistemas de monitoramento e de sensoriamento possuem objetivos em comum. Optou-
se, no entanto, por questões operacionais, pela separação desses sistemas. O sistema de
monitoramento é útil para eventuais identificações preliminares de problemas em poços
que possam originar um vazamento acentuado. Além disso, pode ser utilizado em missões
que não necessariamente estejam relacionadas com o objetivo principal do veículo, mas
que flexibilizam o seu uso, como reconhecimento de fauna e flora marinha, missões de
resgate subaquático, dentre outros.
Os dois principais elementos do sistema de monitoramento são câmeras subaquáticas HD
da fabricante DeepSea, a prova d’água e capazes de operar a até 6 mil metros de
profundidade. O aparato auxiliar de iluminação é do tipo LED, com controle de
iluminação, proteção contra superaquecimento, capaz de atuar a até 950 metros de
profundidade. A câmera e aparato de iluminação selecionados podem ser vistos na Figura
6-8.
Figura 6-8 - A) Aparato de Iluminação; B) Camera HD subaquática
Fontes: www.bluerobotics.com; www.deepsea.com
c) Sensoreamento – Payload:
Os componentes deste sistema são o “coração” do veículo. A partir deles podem ser
obtidos os dados que serão tratados e darão utilidade ao glider. Os principais elementos
são um GPCTD (do inglês, Glider Payload Conductivity, Temperature and Depth), um
ECO (do inglês, Environmental Characterization Optics) e um conjunto de Hydrophones.
A função primária do CTD é verificar a temperatura e condutividade da água em função
da profundidade. A partir da condutividade, pode-se obter concentrações de substâncias
D–5
inorgânicas como sal e outros componentes na água do mar. A partir dos dados do CTD
inferências podem ser feitas sobre processos biológicos ou químicos e anomalias em uma
ou mais propriedades da água [43], além de previsões de transporte através de correntes,
utilizando os dados de temperatura. O GPCTD tem como peculiaridade a utilização de
uma bomba específica para o seu funcionamento capaz de reduzir o tamanho do
dispositivo em contato com a água, reduzindo sua esteira. Além disso, a tomada de água
do GPCTD reside fora da camada limite do glider [44].
O ECO é capaz de medir características ópticas da água, como fluorescência e turbidez,
que podem ser traduzidos em concentrações de matéria orgânicas (como depósitos de
hidrocarbonetos), alterações significativas de fauna e flora marinhas, dentre outros.
Os hidrofones são capazes de realizar amostragens espaciais do leito marinho, podendo
ser utilizados também para exploração de fauna e detecção de emissores de ruído (como
outros veículos) baixo d’água. Os sensores selecionados como payloads, em conjunto,
são capazes de fornecer dados vitais que ajudem a identificar regiões com vazamentos de
gás ou óleo e prever a área de impacto. Os sensores podem ser vistos nas Figura 6-9 a
Figura 6-11:
Figura 6-9 – GPCTD
Fonte: www.seabird.com
D–6
Figura 6-10 - ECO Puck
Fonte: www.seabird.com
Figura 6-11 - Hydrophone HF
Fonte: www.oceansonics.com
d) Sistema de Navegação:
Como comentado na seção 2.2.2, a navegação do glider será feita a partir do método de
dead reckoning e correções por GPS. Para tanto, além do módulo de GPRS integrado ao
modem GSM/3G, já mencionado, o veículo contará com um IMU (do inglês Inercial
Measurement Unit) para cálculos de posição de acordo com ângulos de roll, pitch e
heading. O IMU utilizado é um Ellipse 2 Series (A) da fabricante SBG Systems e pode
ser visto na Figura 6-12.
D–7
Figura 6-12 - IMU - Ellipse 2 Series (A)
Fonte: www.sbg-systems.com
Para aumentar a precisão da navegação, adicionou-se ainda o DVL (do inglês, Doppler
Velocity Log) Teledyne Explorer, capaz de operar a até 1000 metros de profundidade,
aprimorado para utilização em veículos autônomos, com capacidade de medição da
velocidade das correntes, importante variável no processo de decisão de navegação do
glider, que deverá ser capaz de utilizar as correntes para deslocar-se entre os pontos de
interesse e, ao mesmo tempo, evitar correntes que o carreguem para fora do trajeto.
Figura 6-13 - DVL Teledyne Explorer
Fonte: www.teledynemarine.com
Por fim, adiciona-se um sensor de pressão do tipo BAR 100, da fabricante Blue Robotics,
exclusivo para a navegação, com resolução de pressão de 3mbar, equivalente a 3
centímetros de coluna de água (embora o CTD já possua um sensor de pressão, decidiu-
se por separar os dispositivos de payload dos dispositivos de operação do veículo). O
sensor é facilmente integrado ao Arduino, podendo operar a até 3500 metros de
profundidade.
D–8
Figura 6-14 - Sensor de Pressão BAR 100
Fonte: www.bluerobotics.com
e) Sistema de Variação de Empuxo (VBS):
De vital importância, este sistema é o responsável pela variação de empuxo do veículo
que irá resultar em sua locomoção. Diversos estudos têm sido feitos com o intuito de
desenvolver um VBS mais eficiente ou capaz de reaproveitar parte da energia durante a
operação, como em K. Asawaka et al [19]. Em geral, o sistema possui configuração como
descrita em C. Erisken et al [18] e Wang et al [45] , ilustrada na Figura 6-15.
Figura 6-15 - Sistema de Variação de Empuxo (VBD)
Fonte: [45]
Neste sistema o volume do veículo é alterado ao inflar/desinflar um diafragma. É
preferível à alternativa de lastro ajustável por conta da sua acurácia, fator crítico para
alcançar os ângulos de planeio e velocidades de planeio desejados. O líquido interno
utilizado é óleo hidráulico. A variação do volume de óleo no reservatório pode ser medida
a partir de sensores de deslocamento linear [45], o que faz o sistema ser bastante mais
preciso que um sistema de lastro comum.
Na superfície, o óleo hidráulico é sugado pelo vácuo criado artificialmente no interior do
casco do veículo, fazendo com que o volume total diminua (e consequentemente o
empuxo) e o veículo mergulhe. A quantidade de óleo drenado é controlada por uma
D–9
válvula solenoide que corta o fluxo, assim o veículo atinge o empuxo líquido requerido.
Ao chegar no estágio de apogeu, as bombas de alta pressão (pistão variável) e a bomba
de boost (bomba de engrenagens) atuam para inflar o diafragma externo. A bomba de
baixa pressão (bomba de engrenagens) é utilizada para aumentar a pressão na entrada da
bomba de alta pressão, aumentando a sua eficiência [45].
Os componentes do VBS são, portanto, um diafragma externo, um válvula solenoide da
fabricante ASCO, uma check valve e uma válvula de alívio (relief valve), ambas da
fabricante Hydro Leduc, uma bomba de pistão variável (axial piston pump) da Hydro
Leduc e um acionador elétrico do tipo brushless da Bluerobotics, uma bomba de
engrenagens (gear pump) modelo 1601, da fabricante MicroPump e um acionador elétrico
PM35S-048 da fabricante NMB. As imagens com os componentes do sistema são
mostradas nas Figura 6-16 a Figura 6-18.
Figura 6-16 - Valvulas do VBS (à esquerda Check Valve, seguida por válvula de alívio e solenoide)
Figura 6-17 - Bombas do VBS (à esquerda bomba de pistões, à direita bomba de engrenagens)
Figura 6-18 - Acionadores elétricos (motores) – à esquerda motor PM35S, à direita brushless M100
D–10
f) Sistema de Controle;
O sistema de controle funciona como o cérebro do veículo. Ele irá receber todas as
informações de navegação, instruções de rota, dados de payload e enviar sinais de
controle para os atuadores do veículo corrigirem os valores das variáveis controladas.
Embora a estratégia de controle não faça parte deste escopo, sendo alvo de estudos
futuros, alguns detalhes são importantes para definição dos controladores, como
protocolos de comunicação, número de entradas e saídas requeridas, tensões e correntes
de entrada e saída e por isso, todos os demais sistemas (com exceção dos sistemas de
energia e de governo) devem estar definidos a este ponto.
Por conta da facilidade de prototipagem e integração com diversos protocolos de
comunicação, como SPI, One-Fire, I2C, dentre outros, o Arduino MEGA 2560 foi
selecionado como Sensor Handling e o responsável por interfaces de atuação com o
computador de bordo principal. A característica modular do Arduino faz com que futuros
projetos sejam facilmente integrados apenas com a utilização de Shields, como o caso do
GSM/3G, adicionando flexibilidade ao veículo. O Arduino pode ser visto na Figura 6-19.
Figura 6-19 - Arduino MEGA 2560
Fonte: www.arduino.cc
Para o computador de bordo central, responsável por realizar processamento de
informações mais complexas, como reconhecimento de imagens das câmeras de bordo,
armazenamento das informações em arquivos criptografados para envio via sistema de
comunicação ou para posterior tratamento, foi selecionado o CPU-301-16, da Eurotech,
tendo como principal vantagem o seu baixíssimo consumo de energia, integração fácil e
simples com dispositivos de armazenamento como HD (do inglês Hard Disk) e SSD (do
inglês, Solid-State Drive), possibilidade de interface serial, USB, SATA, Ethernet, MIPI
D–11
e CMOS, I2C, SPI, dentre outros. Possui integrada memória eMMC de 64GB, quatro
cores de 1.2GHz, 4GB de memória RAM, capaz de rodar os mais diversos sistemas
operacionais, como Windows e Linux e outros sistemas embarcados. O CPU pode ser
visto na Figura 6-20.
Figura 6-20 - CPU-301-16 Eurotech
Fonte: www.eurotech.com
g) Sistema de Energia e Governo;
O sistema de energia tem a função fundamental de prover, regular e distribuir energia a
todos os demais sistemas do veículo. Deve ser um sistema redundante para manter o
veículo em operação em caso de falha única, com módulo dedicado à emergência.
Dois tipos de baterias foram utilizados, ambos de tamanho D. O primeiro tipo é de lítio
cloreto de tionilo (𝐿𝑖 − 𝑆𝑜𝐶𝑙2), com capacidade de 19Ah, 0.25MJ de energia, não
recarregável, com vida útil de até 10 anos. O segundo tipo é de níquel metal hidreto (𝑁𝑖 −
𝑀𝐻), com capacidade de 10Ah, 0.0776 MJ de energia, recarregável.
As baterias não recarregáveis e as recarregáveis são mostradas, respectivamente, na
Figura 6-21
Figura 6-21 – Baterias utilizadas
Fonte: www.amazon.com
D–12
O distribuidor de energia utilizado é da fabricante Matek Systems e opera com tensões de
entrada de 9 a 18 V e tensões de saída de 5V e 12V. Como os sistemas requerem saídas
de 5,12 e 15V para correto funcionamento, as baterias serão organizadas de forma a
fornecerem 15V regulados (a partir de reguladores de tensão internos aos packs de
baterias, irrelevantes para o presente escopo). Assim, três saídas de tensão estarão
disponíveis: 15V direto do módulo de baterias, 5 e 12V do distribuidor. O distribuidor
pode ser visto na Figura 6-22.
Figura 6-22 - Distribuidor de Energia
Fonte: www.mercadolivre.com.br
Para proteção contra sobrecarga, controle de corrente máxima de carga e descarga,
tensões máximas de operação e para demais informações sobre status de carga e
temperatura das baterias, para posterior cálculo de autonomia restante pelo sistema de
controle, por exemplo, instala-se um BMS (do inglês, Battery Management System).
Figura 6-23 - Battery Management System
Fonte: www.szgrn.com
O sistema de energia integra ainda um conjunto de dispositivos para geração de energia
que incluem uma placa solar flexível da marca SunPower, a ser instalado no casco
superior do veículo. A utilizar o tempo que o veículo encontra-se em fase de
comunicação, próximo à superfície, quando a placa (à prova d’água) poderá receber luz
solar e gerar energia que será regulada por um controlador de carga MPPT de 15V e
armazenada nas baterias recarregáveis mencionadas anteriormente.
D–13
Sugere-se que o consumo de energia ocorra preferencialmente pela fonte recarregável,
passando às baterias não recarregáveis quando a geração não for suficiente para manter a
operação. A área coberta pela placa solar dependerá da superfície disponível no veículo.
A placa selecionada tem potência de geração máxima de até 170W/m². Obviamente, a
aplicação desse sistema é apenas conceitual e testes em profundidade devem ser feitos
antes de prosseguir com a sua instalação. Os componentes do sistema de geração de
energia são mostrados nas Figura 6-24 e Figura 6-25.
Figura 6-24 - Placa Solar Flexível
Fonte: www.shopee.com.my
Figura 6-25 - Controlador de Carga
Fonte: www.amazon.com
O sistema de governo consiste, basicamente, na criação de um módulo de baterias com
espaço móvel e motores de passo responsáveis pela movimentação do módulo,
longitudinalmente e transversalmente, como demonstrado em M. Pereira [46]. Como o
dimensionamento do sistema depende da forma do veículo e da sua compartimentação,
seu peso e CG devem ser tratados como desconhecidos e uma margem aplicada à hora de
realizar os cálculos de Peso e CG e Equilíbrio/Estabilidade. Para diminuir o impacto sobre
D–14
os cálculo finais, após a definição deste sistema, optou-se por sua alocação na região
próxima ao centro de empuxo de cada uma das formas a ser analisada na otimização,
como visto na seção 3.2.2.3.
D–1
Tabela 6-4 - Compilação dos sistemas fixos
Elemento Dimensões [mm] Consumo Energia (máx) [W] Peso Air [kg] Preço médio [R$]
HD CAMERA D 38 x 123 6 0.29 -- 10 36
LUZ LED*** D 38.5 x 70 15 0.102 -- 7 48
Elemento Dimensões [mm] Consumo Energia (máx) [W] Peso Air [kg] Preço médio [R$]
Computador Principal (CoM Version) 67 x 85 5 0.1 900 12 12
Sensor Handling + Interface Atuação 101.52 x 53.3 7 0.037 120 7 12
Elemento Dimensões [mm] Consumo Energia (máx) [W] Peso [kg] Preço médio [R$]
Wi-Fi Modem (RF) 136 x 20 x 39 8 0.1 400 15 15
ARGOS 45 x 55 x 15 0.5 0.05 -- 5 14
Iridium 76 x 51.5 x 19 0.5 0.076 795 5 5
GSM+GPS *Arduino Shield 10 0.05 350 5 5
Acoustic Board 140.4 x 46.4 x 69 20 0.56 -- 12 12
Acoustic Transducer Diam 140 x 100 0 2.27 -- 12 12
Elemento Dimensões [mm] Consumo Energia (máx) [W] Peso Air [kg] Preço médio [R$]
CTD D 74.8 x 189.5 0.28 1.5 -- 8 20
CTD PUMP D 38 x 90
ECO D 63 x 50 0.96 0.28 -- 7 15
HYDROPHONE D 45 x 220 0.8 -- -- 12 24
Elemento Dimensões [mm] Consumo Energia (máx) [W] Peso Air [kg] Preço médio [R$]
Sensor de Pressão D18 x 41 0.0075 -- 800 2 5
IMU 46 x 45 x 24 0.46 0.045 -- 5 36
DVL D88 x 85 2 2.55 60000 10.7 36
Tensão Alimentação [V] - min/máx
Tensão Alimentação [V] - min/máx
Compilação dos sistemas fixos*
Sistema de Monitoramento
Sistema de Controle
Sistema de Comunicação
*Sistemas fixos são os que possuem elementos que não variam com a forma do veículo, tendo suas características compiladas e posteriormente consideradas como restrições para a otimização
Tensão Alimentação [V] - min/máx
Tensão Alimentação [V] - min/máx
Tensão Alimentação [V] - min/máx
Sensoreamento - PayLoad Sensors
Sistema de Navegação
D–2
Figura 6-26 - Resumo Sistema Energia
Baterias
Conversores/Distribuidores
Placa Solar
Controlador de Carga
Elemento Detalhe Dimensões [mm] Consumo Energia (máx) [W OU Wh] Peso Air [kg]/[kg/m³] Peso Water [kg] Preço médio [R$] Tensão Alimentação/Carga [V]
BATERIA LI-ION SAMSUNG D Sized Lithium Battery D 34.2 X 61.5 (P/UM) -68.4 0.107 -- 11.20277778 4.2 (16)
Distribuidor Matek Systems PDB/PCB XT60 36 x 50 x 40 1.5 0.011 -- 29 16
PLACA SOLAR SunPower Flexible Panel Depende do veículo -170 154 -- 2500 45
CONTROLADOR DE CARGA MPPT 15V 131 x 96 x 55 3 0.384 -- 200 16
BMS BMS Pack 70 x 50 x 9 0 0.005 -- 110 16
-> Responsável por gerar energia solar em alto mar e aumentar a autonomia do veículo
-> Interface entre o painel solar e a bateria/sistema de distribuição. Ele é o respons´vel por regular a saída para carregamento da bateria
-> Responsável por distribuir e fornecer energia nos diferentes níveis de tensão requeridos pelos sistemas
Sistema de EnergiaReferencias
https://www.researchgate.net/profile/Scott_Willcox/publication/224119503_The_Wave_Glider_A_Wave-Powered_autonomous_marine_vehicle/links/547f2de00cf2c1e3d2dc405a/The-Wave-Glider-A-Wave-Powered-autonomous-marine-vehicle.pdf
https://www.ebay.com/itm/Regulador-De-Lcd-solar-MPPT-controlador-de-carga-24-36-48-60-72V-10A-60V-Dc-dc-Boost-/352147102529?_trksid=p2141725.m3641.l6368
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-1010235808-placa-pdb-pcb-placa-de-distribuico-energia-saidas-5v-e-12v-_JM
https://es.aliexpress.com/store/product/400W-4X100W-Mono-Flexible-Solar-Panel-with-45A-Solar-Power-Controller-Solar-Module-Energy-Roof-Camper/806650_32801450215.html
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-906933324-kit-4-bateria-18650-original-samsung-2200mah-com-terminal-_JM#D[S:ADV,L:VIPCORE_RECOMMENDED,V:1,I:Nlcy1kaXNwYXRjaGVyLTR8LTM1NDg1ODM0OTExODEyMzc3OA==,C:0.300000]
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-916746287-proteco-bms-18650-li-ion-37v-para-uso-de-4s-10s-_JM
Elementos
-> Packs integrados de baterias eletricamente isoladas capazes de fornecer energia aos sistemas e armazenar a energia gerada
Resumo da arquitetura
O sistema de energia tem a função fundamental de prover, regular e distribuir energia a todos os demais sistemas do veículo. Deve ser um sistema redundante para manter o veículo em operação em caso de falha única, com módulo dedicado à
emergencia. O tipo de bateria escolhida é lithium-ion pela alta densidade de energia, segurança na operação e alto número de ciclios, diminuindo a necessidade de manutenção. Os conversores são do tipo MPPT que, em confronto com os
PWM possuem maior eficiencia. Os distribuidores são placas simples com entradas, conversores integrados e saídas com níveis de tensão diferentes (5,12,15 V). A placa solar é flexível e à prova d'água e se adapta bem à forma da "tampa"
superior do Glider.
m
D–3
Figura 6-27 - Resumo VBD
Elemento Detalhe Dimensões [mm] Consumo Energia (máx) [W] Peso Air [kg]
External Bladder -- -- 0 0.2
Check Valve Hydro Leduc Check Valve D9.95 x 33.8 0 --
Axial Piston Pump Hydro Leduc PB32.5 D45 x 68 0 0.33
Internal Reservoir -- -- 0 1.066
Relief Valve Hydro Leduc Relief Valve D9.95 x 35.8 0 --
Low Pressure gear pump MicroPump 1601 D41.2 x 30 0 0.06
Axial Pump Motor Bluerobotics M100 Brushless D32 x 54 30 0.09
Gear pump motor NMB PM35S-048 D35 x 12.7 12 0.022
Variable Buoyance Device (VBD)Resumo da arquitetura
E–1
Tabela de dispositivos por compartimento
Tabela 6-5 - Dispositivos por compartimento
Compartimento Nº Bloco Ordem Descrição (componentes) Direção Localização Preferencial LCG relativo (mm) TCG relativo (mm) VCG relativo (mm)
1 6 Camera Longitudinal BB e BE/JC 90.0 0.0 40.0
2 8 LED BE Longitudinal BE/JC 40.0 0.0 25.0
3 8 LED BB Longitudinal BB/JC 40.0 0.0 25.0
Eletrônica 4 2 Comunicação/Controle/IMU... Indiferente Popa 124.8 -1.4 42.9
Wet 5 1 CTD,ECO,ACOUSTIC, BLADDER Longitudinal Proa/JC 141.4 0.0 43.3
6 5 Bombas, motores e valvulas Longitudinal Popa 33.7 0.0 50.0
7 4 Reservatórios internos de oleo Indiferente Popa 33.7 0.0 50.0
8 7 Hydrophone Longitudinal BE/JC 0.0 0.0 --
9 7 Hydrophone Longitudinal BB/JC 0.0 0.0 --
10 3 Sistema Energia Indiferente Central 48.5 0.0 28.0
11 2 Bateria e sistema de pitch/roll Longitudinal Central 50.0 0.0 75.0
Monitoramento
Hydrofones
Energia
VBD
F–1
Fatores de Correlação
Figura 6-28 - Fatores de Correlação
G–1
Descrição do código de compartimentação e
sistema de energia/governo
1. Sistema de Energia
O algoritmo utilizado para minimização do comprimento do módulo é simples:
• O valor do raio do círculo externo inicial é tal que comporte todas as baterias
requeridas em apenas uma “linha”. Linha é a quantidade de baterias que se
enfileiram longitudinalmente;
• Define-se quantas linhas possuirão apenas a metade inferior do módulo
contendo baterias (para mudança do TCG durante a rotação do módulo);
• Verifica-se se o módulo cabe na forma, na região para a qual foi destinado;
• Altera-se o número de linhas e atualiza-se o raio externo do módulo até que
esteja contido na forma;
• Caso o comprimento do módulo supere o comprimento efetivo da forma,
ocorre falha no critério do sistema de governo;
2. Compartimentação
• Todo o dispositivo é inicialmente colocado na posição longitudinal inicial do
compartimento, com centro de gravidade local alinhado com a linha de centro e
com a altura média da posição x e z;
• Checa-se se o dispositivo está dentro das fronteiras da forma. Caso não esteja,
move-se o dispositivo em x. Caso o x do dispositivo ultrapasse o comprimento
efetivo da forma, rotaciona-se o dispositivo e reinicia-se seu processo de alocação.
Caso o dispositivo, após todas as tentativas de rotação, ainda não possa ser
colocado na forma, a compartimentação é rejeitada;
• Uma vez dentro das fronteiras, checa-se choques entre o dispositivo atual e outros
dispositivos colocados previamente. Caso o dispositivo seja o primeiro do
G–2
compartimento, é colocado na forma na posição x e z atual, movendo-o para a
menor (mais baixa) posição y possível.
• Caso haja choque entre o dispositivo e os colocados anteriormente, verifica-se se
o dispositivo está dentro da fronteira. Uma série de outras verificações é feita.
Dentre elas: qual a derivada do contorno da forma na posição x e z em que o
dispositivo está sendo colocado. Quais as variáveis de controle do dispositivo.
Distância vertical entre o dispositivo e as paredes do veículo e etc.
• Caso a distância vertical entre o dispositivo e as paredes do veículo seja maior que
zero, aproxima-se o dispositivo da parede (abaixa-se, por padrão).
• Em seguida, uma série de movimentações em z (de acordo com o valor do
momento em z total do compartimento), rotações e movimentações em x,
respectivamente, são efetuadas como tentativas de evitar o choque entre
dispositivos. Caso não seja possível evitar o choque após todas as tentativas de
movimentação do dispositivo, ou, caso o x do dispositivo exceda o valor máximo
definido pela forma efetiva, a compartimentação é rejeitada. Caso o choque seja
evitado e encontre-se um espaço livre para o dispositivo, ele é colocado na forma
naquela posição (x,z,y). Seu status é modificado, para indicar que ele foi colocado
na forma com sucesso. Atualiza-se, em uma lista de blocos de espaços ocupados,
os espaços que passaram a ser ocupados pelo atual dispositivo. Recalcula-se peso
e centro de gravidade do compartimento.
• Caso a distância vertical entre o dispositivo e as paredes do veículo seja menor
que zero: garante-se que o centro vertical do dispositivo está alinhado com o
centro vertical da forma e tenta-se realoca-lo após rotação e após movimentação
em x.
• Após o posicionamento de todos os dispositivos, calcula-se a área molhada, o
volume interno de cada compartimento e o volume ocupado pelos dispositivos.
• Caso o compartimento analisado seja o compartimento de energia e governo,
considera-se que 35% (valor adotado como razoável) da diferença entre o volume
disponível do compartimento e o volume ocupado pelos dispositivos é de baterias
recarregáveis. Adiciona-se a energia adicional e o peso das baterias adicionais ao
veículo (considera-se o peso das baterias adicionais sendo aplicado no centro de
gravidade do compartimento). Considera-se a área molhada do compartimento de
energia para o cálculo de potência gerada pela placa solar. Considera-se a adição
G–3
de peso da placa solar (no centro de gravidade do compartimento de energia e
governo);
• Caso o compartimento analisado seja o de eletrônica, adiciona-se baterias
recarregáveis adicionais, com as mesmas premissas utilizadas no ponto anterior.
Estas baterias serão utilizadas como módulo de emergência e resgate.
• Caso todos os dispositivos, de todos os compartimentos, sejam adicionados com
sucesso, a compartimentação é aprovada. São gerados os valores das coordenadas
de todos os dispositivos para posterior conferência