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[PT-EN] Estabilidade Aplicada no Projeto de Veículos Submarinos Autônomos

Updated: 2 days ago

Séculos atrás, as grandes navegações desempenharam um papel fundamental para o avanço de civilizações. Possuir uma frota marítima potente era um sinônimo de poder e media o quão hegemônica e influente uma nação se tornava. Não muito diferente daquela época, as ciências náuticas também permeiam nosso cotidiano. O crescente desenvolvimento tecnológico alcançado com o passar dos anos atingiu o setor naval e permitiu que hoje fosse possível que se desenvolvessem projetos de alta complexidade, tais quais robôs submarinos autônomos, os chamados AUV's. Porém, se tivéssemos que nos perguntar uma preocupação em comum entre nós e os inventores por trás de barcos movidos à vela seria o conceito de flutuabilidade.


No dia-a-dia, é essencial garantir que o nosso robô permaneça na água de um modo favorável para que desempenhe corretamente as tarefas que envolvem sua aplicação, seja em uma competição ou na indústria de petróleo. Tal preocupação envolve um pleno conhecimento em áreas que tangenciam desde à Mecânica e Hidrodinâmica, até o Princípio de Materiais. Tenda em vista isso, como podemos definir o conceito de Flutuabilidade?



Podemos defini-lo como o fenômeno resultante do deslocamento de massa d’água que seja maior do que o seu próprio peso. Se essa for menor do que seu próprio peso, o corpo afundará. Caso seja igual, ele flutuará. É válido ressaltar que isso está intrinsecamente ligado aos materiais que compõem o objeto em questão. Tanto para cascos de grandes embarcações ou para o frame do nosso AUV, é necessário que se haja um cuidado em determinar um tipo de material ideal para que as condições de flutuabilidade sejam atendidas, pensando em fatores como resistência e densidade.



Uma das aplicações mais importantes da flutuabilidade em embarcações em geral é na estabilidade, uma vez que para conseguir o equilíbrio, o comportamento do corpo no líquido é essencial. De acordo com o Princípio de Arquimedes (288 a.C - 212 a.C), uma das bases da Hidrostática, um corpo ao ficar imerso em um determinado fluido sofrerá por ele uma força vertical para cima, conhecida como empuxo. Tal força, ao ser combinada com o Peso atuante no Centro de Gravidade do corpo vai gerar uma dinâmica, podendo ser de caráter estável ou instável.


Para determinar o tipo de movimento que será realizado, é importante levar em consideração o Centro de Carena, que é o Centro de Gravidade do volume de água deslocado, nele está aplicada a força de empuxo. Uma de suas características é estar localizado na mesma linha de simetria do centro de gravidade do corpo, por isso, quando há um deslocamento lateral, é importante que o centro de carena esteja localizado acima do centro de gravidade, pois será gerado um torque no sentido oposto ao movimento, mantendo a tendência de equilíbrio.



Representação da Vista Frontal do AUV inclinado na água

G = Centro de Gravidade; C = Centro de Carena


Os conceitos apresentados são de grande importância para o desenvolvimento da parte mecânica, tanto na competição quanto na integração com demais áreas do projeto. Levando em consideração a ideia de flutuabilidade e as regras da RoboSub®, é importante que nosso AUV(Autonomous Underwater Vehicle) tenha no mínimo 0,5% de flutuabilidade positiva ,ou seja, que 50 % do AUV esteja submerso.


Já a concepção e existência da estabilidade é um agente facilitador para os códigos responsáveis por controlar nosso submarino autônomo, de forma que será melhor explicada abaixo após a introdução de duas definições cruciais. Sendo a primeira o PID ,que é uma técnica de controle que consiste em minimizar o erro de um sinal pela ação proporcional, integrativa e derivativa. A segunda são os 3 graus de liberdade angulares (roll, pitch, yaw).



Sistema de Coordenadas de um AUV

Por fim um AUV estável poupa poder computacional e tempo, levando em consideração que com o pitch o mais próximo possível de zero o controlador PID deste grau de liberdade pode ser desprezado. Importante salientar que para se mover ao longo do eixo X é necessário um valor nulo no pitch.



Escrito por Lara Figueiredo, Ramon Christian e Vinicius Feijó


Stability Applied in the Design of Autonomous Underwater Vehicles



For many years, the great navigations played a fundamental role in the advance of civilizations. A powerful maritime fleet measured how hegemonic and influential a nation could be. Not unlike that time, the nautical sciences also important on our daily lives. The increasing technological development has reached the naval sector and has made it possible to develop highly complex projects, such as Autonomous Underwater Vehicles (AUVs). However, a common concern between us and the inventors behind sailing boats is the concept of Floatage.


It is essential to ensure that our robot remains in the water in a certain way so that it performs the tasks that it’s been assigned to, whether it’s in a competition or in the oil industry. In order to do that, we must concern to have full knowledge involving Mechanics and Hydrodynamics and Materials. With this in mind, how can we define floatage?


We can define it as the phenomenon resulting from the interaction between the displacement of water mass by the sub and the vehicle’s weight. If the displacement of water mass is lower than its weight, the body will sink. If it is the same as the weight or higher, it will float. As you can see, when building an AUV, we must choose the material we will use really carefully, considering factors such as strength and density.


One of the most important applications of floatage in vessels in general is to use it in order to get stability on the vehicle. According to Archimedes Principle (288 BC - 212BC), when a body is immersed in a certain fluid, it will suffer an upward vertical force, known as buoyancy. Such force, when combined with the weight acting on the gravity center of the body, can result on stable or unstable dynamics.


In order to determine the type of movement that will be carried out, it is important to consider the Center of Carena, which is the Gravity Center of the volume of water displaced, the buoyant force acts on it. The Center of Carena is located on the same line of symmetry of the body’s gravity center. For this reason, when there is a lateral displacement of the body, it is important that the center of carena is located above the center of gravity, generating torque on the opposite direction of the movement, which maintains the tendency of balance.






Frontal View Representation of the AUV on the water

G = Gravity Center; C = Center of Carena


The concepts presented are of great importance for the development of the robot’s mechanics systems. Taking into account the idea of floatage and RoboSub® rules, it is important that our AUV has at least 0.5% positive buoyancy, that is, that 50% of the AUV is submerged.


Having a stable vehicle, on the other hand, is a facilitating agent for the software responsible for controlling our autonomous submarine. It makes the PID (a control technique that consists of minimizing the error of a signal by proportional, integrative and derivative action) less complicated, saving computational power and time.



Coordinate System of an AUV


With the pitch as close to zero as possible, the PID controller of this degree of freedom can be neglected. It is important to note that in order to move along the X axis, a zero pitch value is required.


Written by Lara Figueiredo, Ramon Christian e Vinicius Feijó