Instrumentação de um veículo submersível

(1)

Instrumenta¸

c˜

ao de um

Ve´ıculo Submers´ıvel

Por

Jos´

e V´ıtor Guedes Almeida

Orientador: Doutor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva

Co-orientador: Doutor V´ıtor Manuel de Jesus Filipe

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o _{74/2006 de 24 de Mar¸co e no}

Regulamento de Estudos Pós-Graduados da UTAD DR, 2.a série – Delibera¸cão n.o 2391/2007

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Instrumenta¸

c˜

ao de um

Ve´ıculo Submers´ıvel

Por

Jos´

e V´ıtor Guedes Almeida

Orientador: Doutor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva

Co-orientador: Doutor V´ıtor Manuel de Jesus Filipe

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o _{74/2006 de 24 de Mar¸co e no}

Regulamento de Estudos Pós-Graduados da UTAD DR, 2.a série – Delibera¸cão n.o 2391/2007

(4)

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Orienta¸c˜ao Cient´ıfica :

Doutor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva Professor Auxiliar da

Escola de Ciˆencias e Tecnologia Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Doutor V´ıtor Manuel de Jesus Filipe Professor Associado com Agrega¸c˜ao da

Escola de Ciˆencias e Tecnologia Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

(6)

(7)

”90% do trabalho faz-se em 10% do tempo.”

Autor Desconhecido

”If you can’t explain it simply, you don’t understand it well enough”

Richard Feynman (1918 – 1988) e Albert Einstein (1879 – 1955)

(8)

(9)

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO Mestrado em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores

Os membros do Júri recomendam à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro a aceita¸cão da disserta¸c˜ao intitulada “ Instrumenta¸cão de um Ve´ıculo Submers´ıvel” realizada por José V´ıtor Guedes Almeida para satisfa¸c˜ao parcial dos requisitos do grau de Mestre.

Julho 2016

Presidente: Doutora Paula Cristina Ribeiro Coutinho de Oliveira,

Professora Auxiliar da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Vogais do Júri: Doutor José Carlos Meireles Monteiro Metrôlho,

Professor Adjunto do Instituto Polit´ecnico de Castelo Branco

Doutor V´ıtor Manuel de Jesus Filipe,

Professor Associado com Agrega¸cão do Escola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

(10)

(11)

Instrumenta¸c˜

ao de um

Ve´ıculo Submers´ıvel

Jos´e V´ıtor Guedes Almeida

Submetido na Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obten¸c˜ao do grau de

Mestre em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores

Resumo — Nos ´ultimos anos tem-se verificado um grande aumento de projetos que utilizam ve´ıculos não-tripulados, para realizar algumas tarefas demasiado arriscadas ou dispendiosas. Um exemplo deste género de ve´ıculos são os ve´ıculos submers´ıveis. Tipicamente, os sistemas de controlo e navega¸cão destes ve´ıculos controlados re-motamente são baseados em sistemas centralizados. Como alternativa, existem os sistemas distribu´ıdos que permitem tornar o sistema escalável, com custos controla-dos. Com a utiliza¸cão deste sistema, altera¸cões efetuadas ao n´ıvel dos módulos de sensores ou atuadores não implica a substitui¸cão da unidade de controlo principal. Neste trabalho pretende-se criar um sistema de controlo, baseado numa arquitetura distribu´ıda, microcontroladores e barramentos industriais, que permita monitorizar todos os parâmetros de um ve´ıculo não-tripulado. O sistema deve ser capaz de re-alizar fun¸cões como controlo à distância, monitoriza¸cão de parâmetros ambientais, observa¸cão de espécies animais e vegetais subaquáticas, análise de estruturas natu-rais e criadas pelo Homem, entre outras. Além dos sensores e atuadores, o ve´ıculo submers´ıvel estará preparado para ser equipado com uma ou mais câmaras que per-mitam a recolha de imagens, o seu armazenamento e respetivo processamento. As imagens capturadas podem ser usadas como auxiliar à navega¸cão remota do sub-mers´ıvel ou através de processamento, em tempo-real, detetar e fazer o seguimento automático do movimento de peixes. O sistema a desenvolver deverá ser suficiente-mente genérico de forma a poder ser adaptado a diferentes ve´ıculos.

Palavras Chave: Ve´ıculo N˜ao-Tripulado, Sensores, Atuadores, Sistema Distribu´ıdo, Barramento Industrial, Processamento Digital de Imagem.

(12)

(13)

Instrumentation of a

Submersible Vehicle

Jos´e V´ıtor Guedes Almeida

Submitted to the University of Tr´as-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical Engineering and Computers

Abstract — On the last years there has been a great growth in applications that

use unmanned vehicles, which allow too riscky or expensive tasks to be carried out. An example of this type of vehicles are the submersible vehicles. Usually, navigation and control systems of remotely controlled vehicles are based on centralized systems. As an alternative to this kind of systems there are the distributed systems that allow creating a scalable architectures, with controlled costs. Using this kind of system, changing a sensor module or an actuator module does not require the replacement of the main control unit.

Our objective is to create a control system based on a distributed architecture, using microcontrollers and industrial buses, that can monitor all parameters of an unmanned vehicle. It must be able to perform some functions such as remote con-trol, monitoring environmental parameters, observation of underwater plant and animal species, among others actions. Besides from sensors and actuators, the sub-mersible vehicle can be equipped with one or more cameras that allow image record and processing. The captured images can be used to the remote navigation of the submersible or, by real-time processing, detect and make automatic fish tracking by color. The system to be developed should be generic enough so that it can be adapted to diﬀerent vehicles.

Key Words: Unmanned Vehicle, Sensor, Actuator, Distributed System, Industrial

Bus, Digital Image Processing.

(14)

(15)

Agradecimentos

Ao Professor Doutor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva, Professor Auxiliar da Es-cola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, ori-entador desta disserta¸cão, pela sua ajuda, motiva¸cão, ideias, orienta¸cão e paciência. Ao Professor Doutor V´ıtor Manuel de Jesus Filipe, Professor Associado com Agrega¸cão da Escola de Ciências e Tecnologia da Trás-os-Montes e Alto Douro, co-orientador deste trabalho, pelas observa¸cões, apoio e orienta¸cões.

Aos restantes docentes, do curso de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, pela disponibilidade e simpatia demonstradas ao longo do meu percurso académico.

A todos os meus colegas do curso pela sua amizade e simpatia.

Aos meus pais, irm˜ao e familiares, pelo apoio incondicional que me deram e pela ajuda que me deram ao longo da vida.

`

A minha namorada, Joana, pela sua dedica¸cão, apoio, motiva¸cão e paciência que me ajudam a melhorar diariamente.

A todos, um sincero obrigado!

UTAD, Jos´e V´ıtor Guedes Almeida

(16)

(17)

´Indice geral

Resumo xi

Abstract xiii

Agradecimentos xv

´_{Indice de tabelas} _xxi

´_{Indice de figuras} _xxiii

Acr´onimos xxvii

1 Introdu¸cão 1 1.1 Contexto e Motiva¸cão . . . 2 1.2 Objetivos . . . 3 1.3 Organiza¸cão da Disserta¸cão . . . 4 2 Ve´ıculos Submers´ıveis 5 2.1 Trabalhos Relacionados . . . 6

2.1.1 Aplica¸cões da Robótica em Ambientes Aquáticos . . . 8 xvii

(18)

2.1.2 Monitoriza¸c˜ao do Comportamento de Peixes . . . 12

2.2 Proposta de uma Arquitetura para um Ve´ıculo Submers´ıvel . . . 19

3 Cap´ıtulo de Aquisi¸c˜ao de Dados e Atua¸c˜ao 23 3.1 Sistema de Processamento . . . 24

3.2 Aquisi¸c˜ao de Dados - Sensores . . . 29

3.2.1 Temperatura . . . 29

3.2.2 Oxig´enio Dissolvido. . . 31

3.2.3 pH . . . 33

3.2.4 Condutividade El´etrica . . . 35

3.3 Atua¸c˜ao - Controlo dos Motores . . . 37

3.4 Implementa¸cão do Sistema de Aquisi¸cão e Atua¸cão . . . 40

4 Cap´ıtulo de Comunica¸c˜ao e Controlo 51 4.1 Sistemas Distribu´ıdos . . . 52

4.1.1 Carater´ısticas . . . 55

4.1.2 Heterogeneidade . . . 57

4.2 Protocolos de Comunica¸c˜ao Industriais . . . 59

4.3 Controller Area Network . . . 61

4.3.1 CAN e o Modelo OSI . . . 63

4.3.2 Especifica¸c˜oes do CAN . . . 66

4.3.3 Acesso ao Barramento - M´etodo de Arbitragem . . . 68

4.4 Comunica¸c˜ao S´erie usando RS232 . . . 71

4.4.1 Carater´ısticas Mecˆanicas . . . 73

4.4.2 Carater´ısticas El´etricas . . . 74

4.4.3 Parˆametros de Configura¸c˜ao . . . 75

4.5 Implementa¸c˜ao do Sistema de Comunica¸c˜ao e Controlo . . . 76

4.5.1 Prioridade das Mensagens CAN . . . 77

4.5.2 Modelo de Camadas . . . 84

4.5.3 N´o Diagn´ostico . . . 98 xviii

(19)

5 Cap´ıtulo de Processamento Digital de Imagem 105

5.1 Aquisi¸c˜ao de Imagem . . . 106

5.2 Biblioteca de Processamento Digital de Imagem - OpenCV . . . 110

5.2.1 Espa¸cos de Cor . . . 112

5.2.2 Filtros . . . 115

5.2.3 Segmenta¸c˜ao . . . 120

5.2.4 Operadores Morfol´ogicos . . . 124

5.3 Dete¸c˜ao e Seguimento . . . 125

5.4 Implementa¸c˜ao do Sistema de Processamento Digital de Imagem . . . 129

6 Testes e Resultados 139 6.1 Testes ao Controlo da Eletr´onica Desenvolvida . . . 139

6.2 Testes ao Sistema de Mensagens . . . 142

6.3 Testes `as Comunica¸c˜oes por RS232 . . . 150

6.4 Testes ao Sistema de Gest˜ao de IDs . . . 154

6.5 Testes ao Algoritmo de Processamento de Imagem . . . 157

7 Conclus˜oes e Trabalho Futuro 169

Referˆencias bibliogr´aficas 173

(20)

(21)

´Indice de tabelas

4.1 Descri¸c˜ao dos principais pinos dos conectores RS232 . . . 74

4.2 C´odigos de mensagens e respetivas prioridades . . . 79

4.3 C´odigos de mensagens e respetivas prioridades utilizando o filtro de ID por hardware . . . 82

(22)

(23)

´Indice de figuras

2.1 Imagem ilustrativa do submers´ıvel The American Turtle . . . 6

2.2 Esquema do submarino americano Nautilus. . . 7

2.3 An´alise de estruturas submersas com a utiliza¸c˜ao de um ROV . . . . 9

2.4 Monitoriza¸cão da qualidade da água e da vida subaquática . . . 9

2.5 AUV Trimares. . . 11

2.6 ROV MAX da Deep Sea Systems . . . 11

2.7 VideoRay Pro III MicroROV. . . 15

2.8 Representa¸c˜ao de uma forma de recolher e analisar imagens de peixes 18

3.1 Esquema resumido da arquitetura de um microcontrolador . . . 24

3.2 Esquema do fluxo de dados no microcontrolador nas porta I/O digitais 27

3.3 Sensor de temperatura DS18B20. . . 30

3.4 Dissolved Oxygen Kit SEN-11194 da Sparkfun . . . 33

3.5 pH Sensor Kit SEN-10972 da Sparkfun . . . 34

3.6 Electrical Conductivity Kit SEN-12908 da Sparkfun . . . 35

3.7 Estrutura interna de um motor el´etrico . . . 37

3.8 Exemplo de um propulsor . . . 38

3.9 Invers˜ao do sentido de rota¸c˜ao de um motor DC . . . 39 xxiii

(24)

3.10 Diagrama de blocos global . . . 40

3.11 Esquema global criado nesta disserta¸c˜ao . . . 42

3.12 Esquema da liga¸cão à ADC e do LM336, responsável pela tensão de referência . . . 43

3.13 Esquema parcial do circuito de LEDs . . . 44

3.14 Esquema de um servo-motor-motor e a respetiva onda de controlo . . 46

3.15 Exemplo de uma comunica¸cão CAN, com a representa¸cão dos n´ıveis de tensão do protocolo . . . 48

3.16 Esquema relativo ao transceiver PCA82C250 . . . 48

3.17 Esquema da alimenta¸c˜ao do circuito e das liga¸c˜oes entre o PIC e o PICKit . . . 49

4.1 Arquitetura do tipo Mainframe . . . 53

4.2 Exemplo de um Sistema Distribu´ıdo. . . 54

4.3 Modelos Industriais de Comunica¸c˜ao comparados com o Modelo OSI completo . . . 61

4.4 Topologia de um barramento CAN com v´arios n´os . . . 62

4.5 Camadas do Modelo OSI . . . 64

4.6 Esquema de uma frame CAN . . . 68

4.7 Prioridade na transmiss˜ao de mensagens . . . 70

4.8 Exemplo de uma comunica¸c˜ao s´erie . . . 72

4.9 Conectores para RS232 . . . 73

4.10 N´ıveis de tensão utilizados numa comunica¸cão série RS232 . . . 75

4.11 Esquema da frame CAN utilizada . . . 77

4.12 Campo ID e respetivas subdivis˜oes . . . 81

4.13 Modelo de camadas implementado no sistema de comunica¸c˜ao e controlo 84

4.14 Esquema ilustrativo da FIFO de mensagens CAN . . . 87

4.15 Adi¸c˜ao e leitura de mensagens na FIFO . . . 88

4.16 Convers˜oes entre frames: descodifica¸c˜ao e codifica¸c˜ao . . . 90

4.17 Mapeamento dos IDs com base nos MACs de cada n´o com TreeMap . 93

4.18 TreeSet criado para guardar os IDs livres . . . 95

4.19 Janela criada para escolher a porta s´erie a utilizar . . . 99 xxiv

(25)

4.20 Janela criada para escolher a porta s´erie a utilizar . . . 99

4.21 Esquema da frame Serial desenvolvida . . . 100

4.22 Fluxograma da fun¸c˜ao de leitura da porta s´erie . . . 102

4.23 Fluxograma da fun¸c˜ao de envio pela porta s´erie . . . 103

5.1 Exemplo de uma cˆamara . . . 107

5.2 Refra¸c˜ao da luz . . . 108

5.3 Modelo de Representa¸c˜ao de cor em RGB . . . 113

5.4 Decomposi¸c˜ao de uma imagem RGB nas 3 bandas: Red, Green e Blue.114

5.5 Esquema do modelo HSV . . . 115

5.6 Exemplo do filtro de m´edia. . . 116

5.7 Exemplo do filtro de m´edia ponderada . . . 117

5.8 Aplica¸c˜ao de um filtro de mediana. . . 118

5.9 Aplica¸c˜ao de um filtro bilateral . . . 119

5.10 Histograma e Binariza¸c˜ao . . . 121

5.11 Aplica¸c˜ao do K-means . . . 123

5.12 Utiliza¸c˜ao do K-means onde muita informa¸c˜ao foi apagada . . . 123

5.13 Exemplo de aplica¸c˜ao de uma eros˜ao . . . 124

5.14 Dete¸c˜ao e seguimento de objetos em sequˆencias de imagem . . . 126

5.15 Fluxograma da aplica¸c˜ao desenvolvida . . . 130

5.16 Interface gr´afica do programa . . . 132

5.17 Exemplo da aplica¸c˜ao do filtro bilateral sobre uma imagem . . . 133

5.18 Determina¸c˜ao dos valores de a utilizar como limites de HSV . . . 135

5.19 Janela que permite controlar os filtros aplicados na imagem . . . 136

5.20 Dete¸c˜ao e seguimento de peixes vermelhos . . . 137

5.21 Apresenta¸c˜ao dos dados relativos ao centroide e tamanho do peixe . . 138

6.1 Onda quadrada com um fator delta baixo. . . 140

6.2 PWM com fator delta a 50% . . . 140

6.3 N´ıvel de tens˜ao a ler (550mV) . . . 140

6.4 Leitura da ADC enviada via porta s´erie com RS232 . . . 140

6.5 Formas de onda presentes no barramento (CAN H e CAN L) . . . 141 xxv

(26)

6.6 Frame Serial analisada no oscilosc´opio . . . 141

6.7 Resultado da cria¸c˜ao de uma mensagem CAN e verifica¸c˜ao dos dados da mesma . . . 143

6.8 Resultado da adi¸c˜ao e leitura de uma mensagem numa FIFO . . . 144

6.9 Resultado da adi¸c˜ao e leitura mensagens numa FIFO . . . 146

6.11 Envio de dados numa String pela porta s´erie . . . 150

6.12 Envio de dados numa string pela porta s´erie . . . 151

6.13 Teste de envio de 1msg/2500ms . . . 152 6.14 Teste de envio de 1msg/1000ms . . . 152 6.15 Teste de envio de 1msg/250ms . . . 152 6.16 Teste de envio de 1msg/50ms . . . 152 6.17 Teste de envio de 1msg/25ms . . . 153 6.18 Teste de envio de 1msg/5ms . . . 153

6.21 Sa´ıda do programa sem filtros da imagem 1 . . . 158

6.22 Binariza¸c˜ao sem filtros da imagem 1. . . 158

6.25 Binariza¸c˜ao sem filtros da imagem 3. . . 160

6.26 Sa´ıda do programa com filtros da imagem 1 . . . 160

6.27 Sa´ıda do programa com filtros da imagem 2 . . . 161

6.28 Resultado da binariza¸c˜ao da imagem 3, sem filtros . . . 162

6.29 Resultado da binariza¸c˜ao da imagem 3, com filtros. . . 162

6.30 Resultado da dete¸cão de um peixe vermelho num v´ıdeo e respetiva apresenta¸cão da trajetória do seu movimento . . . 164

6.31 Dete¸cão e representa¸cão da trajetória do movimento de um peixe amarelo num v´ıdeo . . . 166

6.32 Resultado da dete¸c˜ao de um peixe amarelo . . . 167

6.33 Imagem binarizada, com a aplica¸c˜ao dos filtros . . . 167

(27)

Acr´

onimos

Lista de acr´

onimos

Sigla Expans˜ao

AC Alternate Current

ADC Analog to Digital Converter ALU Arithmetic Logic Unit

AUV Autonomous Underwater vehicle CAN Controller Area Network

CPU Central Processing Unit CRC Cyclic Redundancy Check

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA/DCR Carrier Sense Multiple Access with Deterministic Collision

Resolution

CSMA/NBA Carrier Sense Multiple Access with Non-destructive Bitwise Arbitration

CiA CAN in Automation

DC Direct Current

(28)

DCEs Data Circuit-terminating Equipment DLC Data Length Code

DTEs Data Terminal Equipment

EOF End Of Frame

EPROM Erasable Programmable Read Only Memory

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto FIFO First In First Out

I2C Inter-Intergrated Circuit

ID Identifier

IDE Identifier Extension IFS Interframe Space

IMEA International Marine Electronics Association ISEP Instituto Superior de Engenharia do Porto ISO Internacional Organization for Standardization LAN Local Area Network

LED Light-Emitting Diode

LSA Laborat´orio de Sistemas Aut´onomos LSB Less Significant Bit

MAC Media Access Control Address MSB Most Significant Bit

OSI Open Systems Interconnection

OpenCV Open Source Computer Vision Library PLC Programmable Logic Controller

PLL Phase Lock Loop

PWM Pulse-Width Modulation RAM Random Access Memory

ROM Read Only Memory

(29)

ROV Remotely Operated Vehicle RTC Real Time Clock

RTR Remote Transmission Request

SAEI Society od Automotive Engeneers International SBC Single Board Computer

SOF Start Of Frame

SPI Serial Peripheral Interface TOWFISH Ve´ıculo de Arrasto

USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter USB Universal Serial Bus

UTAD Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

VDMA Verband Deutscher Maschinen und Anlagenbau - German En-geneering Federation

WAN Wide Area Network

(30)

(31)

1

Introdu¸c˜

ao

Muitos sistemas de controlo remoto simples utilizam uma arquitetura centralizada.

Mas com o aumento da complexidade, o sistema pode ser modificado para uma

ar-quitetura distribu´ıda. Muitos destes sistemas s˜ao constitu´ıdos por m´aquinas virtuais

e middleware. No entanto tamb´em se pode aplicar um modelo distribu´ıdo a

pro-blemas mais simples como um sistema de controlo de um ve´ıculo n˜ao-tripulado e

aquisi¸c˜ao de dados a partir de v´arios sensores.

A tecnologia associada aos microcontroladores tem evolu´ıdo muito no ´ultimos anos,

pelo que estes come¸cam a estar presentes nos mais diversos equipamentos do nosso

dia-a-dia. A sua capacidade de processamento e controlo de perif´ericos permite a sua

utiliza¸c˜ao num sistema distribu´ıdo. A possibilidade de utilizar redes de comunica¸c˜ao

industriais com estas unidades de processamento permite desenvolver sistemas fi´aveis

e robustos.

Outra ´area que tem crescido, quer ao n´ıvel da tecnologia quer ao n´ıvel de aplica¸c˜oes

(32)

2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇ ÃO

poss´ıveis, ´e o processamento digital de imagem. Atualmente existem bibliotecas que

facilitam a implementa¸cão de aplica¸cões deste género e que são multi-plataforma e

multi-linguagem, chegando assim a mais programadores e utilizadores. O tema da

dete¸cão e seguimento de objetos é muito vasto mas a sua aplica¸cão em contextos

simples como a monitoriza¸c˜ao do comportamento de peixes pode dar-nos muita

informa¸c˜ao sobre o seu desenvolvimento e a forma como as condi¸c˜oes ambientais e

os fatores externos influenciam a sua atividade.

Estes trˆes temas podem ser aplicados em conjunto com, por exemplo, a cria¸c˜ao e

desenvolvimento de um ve´ıculo controlado remotamente, baseado numa arquitetura

distribu´ıda, que utilize microcontroladores para processar a informa¸c˜ao necess´aria

ao controlo do mesmo, e que tenha a capacidade de recolher imagens e processar as

mesma para detetar ou seguir objetos de interesse.

1.1 Contexto e Motiva¸

c˜

ao

Nesta disserta¸c˜ao decidiu-se criar um sistema de instrumenta¸c˜ao capaz de

contro-lar um ve´ıculo submers´ıvel e que permitia fazer a aquisi¸c˜ao de diferentes grandezas,

como por exemplo, temperatura, oxig´enio dissolvido ou PH da ´agua. Este sistema

deve ser o mais gen´erico poss´ıvel de forma a poder ser aplicado a outro tipo de

ve´ıculo. O sistema deve ser composto por um um m´odulo de aquisi¸c˜ao e

processa-mento de imagens adquiridas com uma cˆamara para an´alise do movimento de peixes.

Para obter o movimento dos peixes, o sistema deve ser capaz de detetar o objeto de

(33)

1.2. OBJETIVOS 3

1.2 Objetivos

Neste projeto pretende-se criar um sistema capaz de controlar um ve´ıculo

sub-mers´ıvel, bem como processar informa¸c˜ao recolhida pelo mesmo. Um objetivo desta

disserta¸cão é criar uma arquitetura modular que seja o mais genérica e escalável

poss´ıvel.

Para facilitar a conce¸cão e implementa¸cão do sistema de instrumenta¸cão, este está

organizado em diferentes m´odulos que cooperam entre si, fornecendo servi¸cos ou

trocando informa¸c˜ao sempre que necess´ario.

Esta arquitetura modular visa simplificar a cria¸c˜ao do sistema, separando os

dife-rentes problemas em grupos bem definidos, bem como dividindo os problemas mais

complexos em problemas mais simples. A divis˜ao do sistema criado em m´odulos

permite que estes possam funcionar independentemente do funcionamento (ou n˜ao)

dos outros m´odulos.

Além de se pretender criar um sistema genérico, prático e simples, pretende-se que

este seja escalável, robusto e fiável. O sistema desenvolvido visa, além de controlar

um ve´ıculo submers´ıvel, recolher informa¸c˜ao sob a forma de v´ıdeo ou fotografia do

ambiente subaqu´atico. Esses dados recolhidos s˜ao utilizados para uma posterior

(34)

4 CAPÍTULO 1. INTRODUÇ ÃO

1.3 Organiza¸

c˜

ao da Disserta¸

c˜

ao

Esta disserta¸cão está dividida em diferentes cap´ıtulos. O segundo cap´ıtulo é relativo

ao Estado da Arte, no qual é descrita a explora¸cão subaquática com o aux´ılio de

elementos eletr´onicos controlados remotamente ou “independentes”. Associada `a

explora¸cão subaquática está a monitoriza¸cão do habitat e dos elementos que nele

habitam. Assim é também analisado o progresso que a robótica trouxe neste campo.

O terceiro cap´ıtulo descreve a evolu¸c˜ao dos ve´ıculos submers´ıveis controlados

remo-tamente ou aut´onomos, bem como a sua poss´ıvel aplica¸c˜ao no estudo dos peixes,

principalmente analisando o seu habitat e a forma como os fatores externos

influen-ciam a atividade dos peixes.

No quarto cap´ıtulo ´e descrito do sistema de processamento e a arquitetura utilizada.

Neste cap´ıtulo est´a descrita a forma como o hardware foi projetado e como pode ser

utilizado.

O quinto cap´ıtulo é referente às comunica¸cões entre placas de aquisi¸cão e atua¸cão,

desenvolvidas no cap´ıtulo anterior, e a possibilidade de comunica¸c˜ao com o

compu-tador para diagnóstico ou simula¸cão de nós no barramento.

O sexto cap´ıtulo descreve como ´e feita a aquisi¸c˜ao de imagem e posterior

processa-mento digital da mesma. O algoritmo criado deve permitir a dete¸c˜ao e seguimento

do movimento de peixes.

Finalmente s˜ao apresentados os resultados e testes realizados no sistema

(35)

2

Ve´ıculos Submers´ıveis

O futuro da humanidade está intimamente ligado à água, à manuten¸cão da sua

biodiversidade. Cuidar do ambiente aquático melhora não só a nossa vida mas

tamb´em a vida de todos os seres vivos que habitam nesse meio (Water and the

future of humanity, 2014).

A gestão do meio subaquático requer informa¸cão detalhada e precisa, e em muitos

casos pode ser interessante ter essa mesma informa¸c˜ao em tempo-real. No entanto

as limita¸cões f´ısicas à presen¸ca do homem, como a resistência à pressão

(profun-didade), temperatura e tempo de permanˆencia no meio subaqu´atico, impedem o

mesmo de explorar e recolher a informa¸c˜ao desejada (Martins, 2016). No entanto,

com a evolu¸c˜ao da tecnologia, melhorias de desempenho de componentes, redu¸c˜ao do

tamanho e custo dos mesmos, e muito devido a um push de investiga¸c˜ao das

prin-cipais institui¸cões Europeias, Americanas e Asiáticas, a investiga¸cão do ambiente

subaqu´atico tem aumentado e recolhido muita e nova informa¸c˜ao.

(36)

6 CAPÍTULO 2. VEÍCULOS SUBMERSÍVEIS

Neste cap´ıtulo serão descritas as diferentes abordagens ao tema robótica subaquática

e processamento digital de imagem aplicado à dete¸cão, seguimento e análise de

peixes.

2.1 Trabalhos Relacionados

Apesar de hoje ser poss´ıvel construir submarinos com maior facilidade, nem sempre

foi assim. O primeiro “submarino” foi projetado por Leonardo da Vinci, mas devido

`

as limita¸cões tecnológicas da época não foi poss´ıvel executar tal empreendimento

(Elthon Henrique dos Santos, 2010).

Figura 2.1 – Imagem ilustrativa do submers´ıvel The American Turtle

Em 1771 foi constru´ıda a primeira embarca¸c˜ao capaz de ser operada submersa,

conhecida como The American Turtle. Com um tamanho reduzido e movida a for¸ca

(37)

2.1. TRABALHOS RELACIONADOS 7

capaz de colocar um explosivo no navio britˆanico Eagle. O problema desta cria¸c˜ao

e das predecessoras residia no facto de necessitarem de muita for¸ca humana para

se movimentarem, for¸ca essa que rapidamente se esgota. Apenas com a inven¸c˜ao

do motor de combustão interna e dos motores elétricos se tornou viável construir

submarinos.

At´e aos anos 50, estes ve´ıculos utilizavam motores a gasolina ou diesel quando

ope-ravam na superf´ıcie e motores el´etricos quando submergiam. Como as baterias que

alimentavam os motores el´etricos eram carregadas pelo funcionamento do motor de

combustão, era necessário que o submarino permanecesse à superf´ıcie muito tempo.

Figura 2.2 – Esquema do submarino americano Nautilus

A constru¸c˜ao do submarino Nautilus, na Figura2.2 (Genk,2015), o primeiro ve´ıculo deste meio a funcionar a energia nuclear, tornou-se poss´ıvel operar durante v´arios

anos submersos sem necessitar de reabastecer, j´a que com a utiliza¸c˜ao da energia

nuclear era poss´ıvel produzir ar e água potável para a tripula¸cão, eletricidade, entre

(38)

2.1.1 Aplica¸

c˜

oes da Rob´

otica em Ambientes Aqu´

aticos

No final do s´eculo XX assistiu-se ao desenvolvimento de ve´ıculos submarinos n˜

ao-tripulados para a recolha de dados no mundo subaqu´atico. O aparecimento de

novas tecnologias que viabilizam a constru¸c˜ao de ve´ıculos n˜ao-tripulados, com

ele-vados n´ıveis de precis˜ao, fiabilidade, robustez e capacidade operacional, permitiram

a cria¸c˜ao e desenvolvimento deste tipo de projetos por parte de cada vez mais

ele-mentos.

Foi durante a d´ecada de 90 que se assistiu ao desenvolvimento dos primeiros prot´otipos

de ve´ıculos submarinos n˜ao tripulados e aut´onomos, e ao lan¸camento de diversas

empresas que comercializaram ve´ıculos baseados nestes. A aplica¸c˜ao militar n˜ao

foi alheia a este g´enero de projetos, existindo atualmente v´arios submarinos n˜

ao-tripulados ligados a tarefas militares.

Os ve´ıculos subaqu´aticos operados remotamente passaram a ser uma op¸c˜ao

interes-sante como ferramenta de investiga¸c˜ao, devido `a sua capacidade de recolha de dados,

permitirem observa¸cões, trabalhos subaquáticos de recolha ou implanta¸cão de

ob-jetos, manuten¸cão de estruturas submersas (2.3) (Adriana, 2012), análise da vida subaquática (2.4) (Coimbra, 2013), tudo isto sem colocar em risco vidas humanas.

Os ve´ıculos submers´ıveis controlados remotamente devem ser capazes de ultrapassar

dificuldades como:

• Meio diversificado - desde rios a bacias hidrogr´aficas ou zonas profundas do oceano;

(39)

Figura 2.3 – An´alise de estruturas submer-sas com a utiliza¸c˜ao de um ROV

Figura 2.4 – Monitoriza¸cão da qualidade da água e da vida subaquática

• Elevada pressão - 10m de profundidade na água equivalem a 1 atmosfera; • Impossibilidade de transmissões de rádio para comunica¸cões;

• Meio ambiente muitas vezes desconhecido;

• Condi¸c˜oes ambientais adversas - correntes, ondas, ...; • Pontos de acesso dif´ıceis.

Este ramo da tecnologia tem evolu´ıdo muito nos ´ultimos anos principalmente devido

`

a boa rela¸c˜ao custo/desempenho, redu¸c˜ao dos riscos de seguran¸ca e uma vez que estes

ve´ıculos podem operar em ambientes onde a presen¸ca do homem ´e imposs´ıvel, como

por exemplo o interior do n´ucleo de um reator nuclear (ROV Society, 2016). O

aumento da investiga¸c˜ao nesta ´area levou a que este tipo de submarinos pudessem

realizar tarefas de observa¸c˜ao do leito de rios e oceanos, batimetria, inspe¸c˜oes de

estruturas, arqueologia subaqu´atica, constru¸c˜ao de estruturas submersas e apoio

a opera¸c˜oes de grande profundidade (explora¸c˜oes petrol´ıferas), obtendo resultados

(40)

Os ve´ıculos submers´ıveis podem ser divididos em trˆes tipos de sistemas (Martins,

2016):

• ROV (Remotely Operated Vehicle) - ve´ıculo operado remotamente. Conduzi-dos por um operador em terra ou a bordo de um navio, consistem em ve´ıculos

com um cordão umbilical de liga¸cão à esta¸cão de controlo. Utilizado

principal-mente para tarefas de custo alcance, como por exemplo a an´alise de estruturas

submersas. O seu peso pode variar desde os 15Kg às várias toneladas. São

exemplo deste g´enero de ve´ıculos os seguintes submarinos:

– ROVs de inspe¸c˜ao - ROV IES do LSTS-FEUP, Phantom da Deep Ocean Eng., Stingray da Benthos, Hydroball da Hydrovision;

– ROVs de interven¸c˜ao - Venom da Hydrovision, Quest da Alstom Schiling, MAX da Deep Sea Systems, Hercules da Haliburton, Triton da Perry

Slingsby.

• AUV (Autonomous Underwater vehicle) - ve´ıculo submarino autónomo. Com um sistema computacional a bordo e missões pré-programadas, este tipo de

ve´ıculo é muito aplicado em opera¸cões de longa dura¸cão e cujo varrimento

espacial do ve´ıculo ´e grande, quer em distˆancia como em profundidade. Como

principais exemplos de AUVs temos:

– Isurus do LSTS/FEUP – Remus do WHOI – Odissey do MIT

(41)

– Huggin da Konsberg Simrad – Aries da NPS

– OEX da Florida Atlantic University – Martin da Maridan

• TOWFISH - ve´ıculo de arrasto. Arrastados por embarca¸c˜oes, o seu controlo ´e reduzido e servem tipicamente para o transporte de sensores dedicados, cuja

alimenta¸cão energética pode ser feita por baterias internas ou por uma liga¸cão

el´etrica ao barco propulsor.

Estes ve´ıculos s˜ao apoiados por navios de investiga¸c˜ao e/ou suporte, meios de apoio

em estruturas fixas (gruas) e lan¸cas ou barcos de pequeno porte. Existe ainda um

outro tipo de sistema que pode servir de apoio, principalmente aos ROVs (2.5) (Group,2011) ou aos AUVs (2.6) (Museon, 2015), as esta¸cões fixas. Estes sistemas fixos podem realizar fun¸cões de apoio à localiza¸cão, recarga energética dos ve´ıculos

submers´ıveis, recolha, armazenamento e transmiss˜ao de dados (Martins, 2016).

Figura 2.5 – AUV Trimares Figura 2.6 – ROV MAX da Deep Sea

(42)

Em Portugal, a robótica submarina está principalmente associada a duas institui¸cões

de investiga¸c˜ao e desenvolvimento:

• Laboratório de Sistemas Autónomos do ISEP (LSA) - realiza investiga¸cão e desenvolvimento de sistemas robóticos móveis, sistemas embebidos e de

ob-serva¸cão ambiental, a¸cões de forma¸cão e presta¸cão de servi¸cos;

• Laboratório de Sistemas e Tecnologia Subaquática da FEUP - é um laboratório de investiga¸cão focado nas áreas de tecnologia submarina, controlo de

siste-mas, desenvolvimento e opera¸cão de ve´ıculos subaquáticos e monitoriza¸cão

ambiental.

Existem ainda protocolos de coopera¸c˜ao nacional entre a Administra¸c˜ao dos Portos

do Douro e Leixões, o Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar, o Instituto

Hidrogr´afico, a Universidade do Algarve e a Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto

Douro. A n´ıvel internacional as institui¸c˜oes portuguesas tˆem protocolos de

inves-tiga¸c˜ao e coopera¸c˜ao com a University of California, Woods Hole Oceanographic

Institution, Naval Postgraduate School, Naval Undersea Warfare Center nos

Esta-dos UniEsta-dos da Am´erica (Martins,2016).

2.1.2 Monitoriza¸

c˜

ao do Comportamento de Peixes

Inicialmente os ve´ıculos subaqu´aticos controlados remotamente era principalmente

utilizados para realizar tarefas de recupera¸c˜ao de objetos perdidos em alto mar.

O seu baixo custo de cria¸cão, opera¸cão e manuten¸cão fizeram com que a indústria

(43)

passaram a ser imprescind´ıveis para empresas que trabalham em alto mar, uma vez

que havia a necessidade de atingir profundidades muito elevadas, imposs´ıveis de

atingir por um mergulhador (R. D. Christ,2014).

Desde então estes ve´ıculos vêm a ser utilizados para as mais diversas fun¸cões. Na

indústria, o seu aplica¸cão pode ser necessária para fazer desde inspe¸cões de estruturas

submersas ou subaquáticas até opera¸cões de soldagem ou perfura¸cão em alto mar a

grande profundidade.

Uma potencial aplica¸cão de um ve´ıculo submers´ıvel é a monitoriza¸cão de um

deter-minado ambiente subaquático. Análise do ambiente aquático, recolha de amostras

e dados relativos a parˆametros de qualidade, monitoriza¸c˜ao da atividade da fauna

e da flora são exemplos de aplica¸cões ligadas à biodiversidade existente no local de

estudo onde o ROV ou AUV pode ser inserido. De forma global, a utiliza¸c˜ao de

ve´ıculos submers´ıveis, controlados remotamente ou aut´onomos, justifica-se pela n˜ao

necessidade de expor mergulhadores a situa¸c˜oes de perigo muito comuns em

ambi-entes aqu´aticos, principalmente em casos de ´aguas turvas, profundas, contaminadas,

com elevada corrente ou temperaturas baixas (Toronto Police, 2014).

A qualidade da ´agua, considerando principalmente a temperatura, o n´ıvel de oxig´enio

dissolvido e substˆancias qu´ımicas dissolvidas, poluentes ou n˜ao, afeta a vida dos

se-res vivos aquáticos. Muitas das vezes é poss´ıvel verificar altera¸cões às carater´ısticas

normais do seu habitat analisando o movimento dos peixes que nele habitam.

Tradi-cionalmente, os bi´ologos analisam o comportamento da fauna aqu´atica fazendo

(44)

uma posterior an´alise dos mesmos (Srividya M. S., 2014). Embora estes m´etodos

sejam capazes de obter bons resultados tˆem as suas limita¸c˜oes:

• Mergulho - O mergulhador não pode estar dentro de água por per´ıodos prolon-gados. A botija de oxigénio tem uma dura¸cão relativamente curta e a exposi¸cão

prolongada do mergulhador a temperaturas baixas e pressões elevadas não é

aconselhável. Esta op¸cão requer algum investimento financeiro prévio (fatos,

botijas de ar comprimido, barbatanas, entre outros)(Srividya M. S., 2014).

• Captura - Capturar os peixes para os estudar e analisar o seu comportamento permite obter resultados muito precisos, mas pode provocar danos nos peixes

aquando da sua captura e muitas vezes estes morrem devido a m´as condi¸c˜oes

de transporte e a diferen¸cas elevadas de ambiente onde s˜ao colocados. Al´em

disso é um método que requer também algum investimento monetário(Srividya

M. S., 2014).

Ambos os m´etodos tˆem uma grande desvantagem: alteram o comportamento natural

dos peixes. A inclus˜ao de um elemento estranho no ambiente natural da popula¸c˜ao

de peixes pode causar algum stress nos mesmos, assim como a remo¸c˜ao dos mesmos

do seu habitat.

Como j´a foi referido, os peixes alteram o seu comportamento em fun¸c˜ao do meio

que os rodeiam e as carater´ısticas do mesmo. Assim, o estudo detalhado do seu

movimento pode dar a conhecer aos bi´ologos muitos aspetos interessantes da biologia

(45)

Como ´e imposs´ıvel para o bi´ologo estar longos per´ıodos de tempo a observar os

peixes de forma a verificar de que forma ´e que estes se movimentam, quer seja com

recurso a mergulho ou `a captura de elementos de amostra, a cria¸c˜ao de sistemas de

monitoriza¸c˜ao por computador em laborat´orio torna-se muito importante para este

tipo de estudos.

O trabalho desenvolvido por Rui Nian(2013) demonstra como os projetos de ROVs

podem estar ligados `a etologia1 _{dos peixes. Nian desenvolveu um sistema capaz}

de capturar imagens subaqu´aticas para um ve´ıculo submers´ıvel controlado

remota-mente, que se destinam `a an´alise do comportamento e movimento dos peixes de um

determinado local de estudo. Neste trabalho foi criado um sistema capaz de

submer-gir, controlado remotamente, com vis˜ao por computador, com o principal objetivo

de realizar expedi¸c˜oes que permitisse capturar imagens para estudos de etologia dos

peixes.

Figura 2.7 – VideoRay Pro III MicroROV

Outro trabalho semelhante ´e o de Jun Zhou (2006), onde o autor tamb´em criou

um sistema para detetar e seguir o movimento de peixes com base na vis˜ao por

1_{Etologia dos peixes ´}_{e o ramo da ciˆ}_{encia que estuda o movimento, comportamento e atividade} de peixes, quer selvagens ou criados em cativeiro, em condi¸c˜oes naturais.

(46)

computador. Zhou utilizou o ROV VideoRay Pro III MicroROV (Figura 2.7) para recolher as imagens do ambiente subaqu´atico e analisar o movimento e posi¸c˜ao de

uma esp´ecie de peixe o Largemouth Bass, conhecido em Portugal como Achig˜a. No

seu trabalho utiliza uma s´erie de filtros, incluindo o filtro de Gabor para

textu-ras, segmenta¸cões e extra¸cão de carater´ısticas geométricas para procurar os peixes e

detetar a orienta¸c˜ao do mesmo, sabendo a posi¸c˜ao do corpo e identificando a

barba-tana caudal. Com base nas carater´ısticas extra´ıdas, o ROV alterava a sua posi¸c˜ao

de forma a poder seguir o peixe. Outro filtro utilizado por Zhou foi o filtro de

Kal-man, que lhe permitia obter posi¸c˜oes estimadas sobre a posi¸c˜ao futura do objeto a

detetar e seguir.

Existem atualmente alguns sistemas de vis˜ao que permitem a monitoriza¸c˜ao do

com-portamento dos peixes em ambientes controlados, como laborat´orios com tanques

ou aquários, e mesmo ambientes naturais. Quando as condi¸cões de filmagem não

são as melhores e a dete¸cão de peixes por computador não é poss´ıvel, recorre-se a

bi´ologos treinados para este tipo de tarefas.

Para se poder obter dados relativos ao comportamento dos peixes com a melhor

precis˜ao, o estudo teria de ser realizado no seu habitat. Mas reconhecer, contar ou

seguir peixes no seu ambiente natural coloca v´arios desafios (Clowting,2006):

• os equipamentos eletrónicos são muitas vezes sens´ıveis à humidade;

• o contraste visual ´e reduzido devido a carater´ısticas do meio como a turbidez, sedimentos, bolhas, detritos, entre outros;

(47)

Se tentarmos uma abordagem em que o sistema de vis˜ao por computador procura

o peixe com base na sua forma (com classificadores por exemplo), existem outros

problemas associados uma vez que o peixe faz rota¸c˜oes e mudan¸cas bruscas de dire¸c˜ao

e raramente p´ara na posi¸c˜ao ideal para a captura da imagem na perspetiva desejada

para um processamento correto.

Esta disserta¸cão irá focar-se, essencialmente na segunda parte da mesma, na análise

do movimento de peixes com base em v´ıdeos de ambientes controlados. Nestas

condi¸c˜oes existem alguns trabalhos realizados, principalmente em laborat´orio, onde

o peixe ´e colocado num aqu´ario/tanque previamente preparado para os testes que

se desejam realizar, com ´agua limpa, com baixo n´ıvel de turbidez, com o fundo

do aqu´ario branco e iluminado, por forma a obter a melhor qualidade de imagem

poss´ıvel com a cˆamara. As imagens capturadas pela cˆamara podem ser analisadas

em tempo real ou guardadas e processadas posteriormente. A Figura2.8(Clowting, 2006) representa uma forma de realizar este g´enero de testes em laborat´orio.

O problema de fazer a dete¸c˜ao e seguimento de peixes em longos per´ıodos de tempo

consiste num duplo problema: detetar o peixe numa imagem e estabelecer a sua

correspondˆencia na imagem seguinte. A primeira parte ´e a mais direta e simples de

resolver, embora os peixes estejam sempre em movimento, mesmo enquanto est˜ao a

“dormir”. No entanto, a segunda pode apresentar muitas dificuldades uma vez que

os peixes movem-se muitas vezes perto uns dos outros, cruzando-se v´arias vezes. Isto

torna o processo de seguimento dos peixes ao longo de uma sequˆencia de imagens

mais complicado. Outro aspeto que dificulta o seguimento de peixes, principalmente

(48)

Figura 2.8 – Representa¸c˜ao de uma forma de recolher e analisar imagens de peixes

do campo de visão da câmara, por per´ıodos de tempo aleatórios e indeterminados.

Quando tal acontece não é poss´ıvel saber se o peixe que reaparece é o mesmo que

tinha sa´ıdo do campo de visão à uns minutos atrás ou se é outro peixe, e como tal

deve-lhe atribu´ıdo um novo ID para poder ser seguido e registado o seu movimento.

O trabalho desenvolvido porSmith(2006) ´e um exemplo de um projeto cujo objetivo

´

e fazer o tracking de peixes num ambiente controlado. Neste trabalho o autor criou

um algoritmo que se baseia na subtra¸c˜ao do fundo (background subtraction). A

primeira fase da aplica¸c˜ao foi receber as frames capturadas pela cˆamara e a cada

uma destas era subtra´ıdo o fundo. A imagem de fundo consistia numa imagem do

aquário sem o(s) peixe(s) em análise. Desta forma, ao fazer a subtra¸cão de fundo, o

autor obtinha as diferen¸cas entre as imagens, sendo que na imagem de output estava

presente o peixe a detetar, mas apenas se este se movimentasse.

(49)

2.2. PROPOSTA DE UMA ARQUITETURA PARA UM VE´ICULO SUBMERS´IVEL 19

seriam o peixe, essa imagem era novamente processada. Smith (2006) aplicou um

filtro de Blobs para apenas ficar com os elementos cujo tamanho fosse superior a um

valor m´ınimo definido pelo autor. O resultado foi uma representa¸c˜ao aproximada

do peixe presente nas frames do v´ıdeo.

2.2 Proposta de uma Arquitetura para um Ve´ıculo

Submers´ıvel

Tendo como objetivo criar um sistema que permita controlar um ve´ıculo, neste caso

submers´ıvel, mas consciente de que ´e importante que a arquitetura e implementa¸c˜ao

do mesmo possa ser adaptado ou incorporado noutro tipo de ve´ıculo, criou-se um

sistema que permite controlar v´arios elementos com diferentes m´odulos que

comu-nicam, fazem pedidos recebem ordens ou respostas de outros n´os.

Como em qualquer ve´ıculo ´e obrigat´orio ter formas de controlar o mesmo, com base

na informa¸c˜ao retirada do ambiente em redor. Controlar motores, servos, recolher

dados de diferentes sensores, ter um suporte de ilumina¸c˜ao e sinaliza¸c˜ao, e recorrer

ao v´ıdeo para auxiliar na navega¸cão, são fun¸cões a projetar no desenvolvimento de

um sistema deste g´enero.

Neste trabalho desenvolveu-se um modelo de board que permite incluir um

micropro-cessador (unidade de controlo) e ligar elementos exteriores a um conjunto de portas

disponibilizadas, por exemplo para trocar informa¸c˜ao com o exterior e controlar

dis-positivos externos. Implementaram-se algumas fun¸c˜oes que permitem, de um modo

(50)

de sensores.

A cada módulo serão atribu´ıdas tarefas diferentes, pelo que cada um é controlado

através do envio/rece¸cão de mensagens, criando uma rede de nós com diferentes

IDs. Para poder gerir as a¸c˜oes de cada board foi necess´ario desenvolver um sistema

de comunica¸c˜oes, tendo como base modelos bastante testados, fi´aveis e utilizados.

Decidiu-se utilizar como base o protocolo CAN (Controller Area Network),

desen-volvendo um sistema de gest˜ao de mensagens baseado no Modelo OSI. No

desen-volvimento de qualquer sistema ´e importante ter um sistema de diagn´ostico, que

permita recolher toda a informa¸c˜ao a ser processada pelo mesmo sistema. Assim

criou-se um nó de diagnóstico que permite recolher a informa¸cão que transita entre

os n´os da rede.

Uma vez que esta disserta¸c˜ao pretende criar uma arquitetura gen´erica que possibilite

controlar um ve´ıculo submers´ıvel remotamente, a recolha de dados na forma de v´ıdeo

permite visualizar o trajeto deste e processar a informa¸c˜ao recolhida para detetar

objetos de interesse na imagem, em tempo real ou posteriormente. Nesta disserta¸c˜ao,

ser´a desenvolvida uma aplica¸c˜ao capaz de detetar peixes, filmados num ambiente

controlado, tendo por base a sua cor. Os v´ıdeos utilizados para a realiza¸c˜ao de

testes foram obtidas no YouTube e consistem na filmagem de aqu´arios com peixes

e elementos de v´arias cores. O tracking de peixes com base na cor tˆem algumas

vantagens mas também têm desvantagens, que serão descritas no cap´ıtulo de Testes

e Resultados.

(51)

in-2.2. PROPOSTA DE UMA ARQUITETURA PARA UM VE´ICULO SUBMERS´IVEL 21

fluenciado por elementos presentes no seu habitat ou condi¸c˜oes (temperatura,

po-lui¸cão, concentra¸cão de oxigénio, etc) que os afetem diretamente. Ao desenvolver

um sistema de dete¸c˜ao e seguimento de peixes, torna-se poss´ıvel recolher informa¸c˜ao

importante sobre o seu movimento e sobra a forma como s˜ao influenciados por

agen-tes n˜ao-naturais colocados no seu ambiente ou altera¸c˜oes nas carater´ısticas no seu

(52)

(53)

3

Cap´ıtulo de Aquisi¸c˜

ao de

Dados e Atua¸c˜

ao

Assim como em qualquer ve´ıculo terrestre ou a´ereo, num ve´ıculo submers´ıvel tˆem

de existir formas de controlar o ve´ıculo e/ou adquirir dados do exterior.

Nesta disserta¸c˜ao, foi criado um modelo de controlo e aquisi¸c˜ao de dados

suficien-temente gen´erico, que suportasse diferentes formas de controlo e permitisse ligar

diferentes sensores para recolher informa¸c˜ao exterior. Al´em destas

funcionalida-des, este m´odulo permite comunicar com m´odulos semelhantes, neste caso trocando

mensagens CAN, explicadas no cap´ıtulo respetivo.

Cada módulo de aquisi¸cão de dados e atua¸cão tem presente uma unidade de

pro-cessamento, capaz de processar a informa¸c˜ao e atuar diretamente ou transmitir essa

informa¸cão para um módulo mestre, ficando a aguardar por instru¸cões da forma

como deve agir. A forma como a comunica¸cão é realizada será descrita noutro

cap´ıtulo desta disserta¸c˜ao.

(54)

24 CAPÍTULO 3. CAPÍTULO DE AQUISIÇ ÃO DE DADOS E ATUAÇ ÃO

3.1 Sistema de Processamento

A grande evolu¸c˜ao dos microcontroladores fez com que estes se tornassem formas

viáveis de processamento, controlo, armazenamento e aquisi¸cão de informa¸cão.

Atu-almente os microcontroladores s˜ao capazes de controlar sistemas de grande

im-portˆancia, fiabilidade e capacidade.

Algumas carater´ısticas importantes de um microcontrolador, e que o distinguem

de um microprocessador, s˜ao o facto de ele, al´em de ter uma unidade central de

processamento (CPU) e uma unidade lógica e aritmética (ALU), ter memória para

c´odigo e dados e entrados e sa´ıdas. Estas carater´ısticas permitem ao

microcontro-lador funcionar de forma aut´onoma e interagir com outros elementos (Miyadaira,

2009).

Figura 3.1 – Esquema resumido da arquitetura de um microcontrolador

Podemos ent˜ao dizer que um microcontrolador ´e um dispositivo dotado de

“inte-ligência” criado num único circuito integrado, e que contém uma unidade de

(55)

3.1. SISTEMA DE PROCESSAMENTO 25

3.1 (baseada em Miyadaira (2009)). Os microcontroladores são desenhados para serem embebidos em aplica¸cões bem definidas e estruturadas, ao contrário dos

mi-croprocessadores usados, por exemplo em computadores ou outro tipo de aplica¸c˜oes

mais gen´ericas.

As duas principais arquiteturas de microcontroladores s˜ao Harvard e Von Neumann

(Miyadaira, 2009). A arquitetura Harvard ´e caraterizada pela existˆencia de um

barramento para o acesso à memória de dados e outro para a memória do programa,

resultando num maior fluxo de dados. J´a na arquitetura de Neumann as mem´orias

de dados e de programa partilham o mesmo barramento, limitando a banda de

opera¸c˜ao.

Em geral as mem´orias de programa existentes nos microcontroladores s˜ao do tipo

Flash (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), ROM (Read Only

Memory) ou EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory). S˜ao elas que

são responsáveis pelo armazenamento do código do programa, o que implica que

tenham o tamanho necessário para guardar todo o código desejado. Estas são

memórias do tipo não volátil, pelo que mantêm o código guardado nelas, mesmo

que n˜ao estejam a ser alimentadas (Miyadaira,2009).

As principais carater´ısticas de cada um destes tipos de mem´oria s˜ao:

• Flash - é a memória mais flex´ıvel entre os vários tipos de memória, pois pode ser apagada eletricamente e reprogramada milhares ou mesmo milhões de vezes;

• ROM - não permite que o seu conteúdo seja alterado pelo utilizador. Esta apenas permite a leitura dos dados. É uma memória de baixo custo;

(56)

• EPROM - pode ser apagada e/ou reprogramada várias vezes. Como desvan-tagem, o seu custo é elevado, comparado aos restantes tipos de memória.

Outro tipo de memória existente é a memória de dados, conhecida como memória

RAM (Random Access Memory). Esta é do tipo volátil e guarda as variáveis e

constantes do sistema. Os dados presentes nesta mem´oria s˜ao sempre perdidos

quando o microcontrolador deixa de ser alimentado. Isto implica que dados que

sejam necessários reter, têm de ser gravados nos outros tipos de memória e carregados

sempre que o sistema for iniciado.

As portas e pinos de I/O (Input/Output em Inglˆes, Entrada/Sa´ıda em Portuguˆes)

digitais est˜ao presentes em todos os microcontroladores. ´E por eles que se comunica

com o exterior, ou seja, ´e por interm´edio deles que o microcontrolador aciona uma

rel´e, um LED, um motor, entre outros. O sentido dos pinos I/O pode ser programado

e definido como sendo uma entrada ou uma sa´ıda (exclusivamente), como mostra a

Figura 3.2. Se o pino, ou a porta (conjunto dos pinos pertencentes `a mesma porta) for definido como sa´ıda, este poder´a ser utilizado para controlar dispositivos ou

elementos perif´ericos. J´a se este for definido como entrada, pode ser utilizado para

receber informa¸c˜ao externa, como por exemplo saber o estado de um interruptor.

Alguns perif´ericos como ADC (Analog to Digital Converter), USART (Universal

Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter), SPI (Serial Peripheral Interface),

I2_{C (Inter-Intergrated Circuit) s˜}_{ao muito comuns nos microcontroladores, no entanto}

existem alguns microcontroladores com mais capacidade e mais robustos e completos

(57)

3.1. SISTEMA DE PROCESSAMENTO 27

Figura 3.2 – Esquema do fluxo de dados no microcontrolador nas porta I/O digitais

exemplo controladores de LCD, USB (Universal Serial Bus), RTC (Real Time Clock)

ou CAN (Controller Area Network) (Miyadaira, 2009).

Os microcontroladores s˜ao utilizados em dispositivos de controlo autom´atico, como

por exemplo sistemas de controlo da indústria automóvel, implantes médicos

“ro-botizados”, arquiteturas com controlo remoto, maquinas de pequenas e discretas ou

grandes e de elevado potˆencia, brinquedos, entre outros. O seu reduzido tamanho e

custo comparado com muitos microprocessadores, que usam sistemas de

processa-mento, memória e controlo e comunica¸cão com periféricos separados, torna-os viáveis

economicamente para controlar diferentes dispositivos e processos. A sua capacidade

de poder recolher ou trocar informa¸cão do tipo analógico ou digital também é um

fator a seu favor.

Outro aspeto interessante nos microcontroladores ´e o seu consumo energ´etico. Como

muitos deles permitem usar frequˆencias de oscila¸c˜ao de clock baixos, como por

exem-plo 4KHz, o seu consumo torna-se extremamente reduzido, podendo chegar a uns

meros microwatts ou umas unidades de miliwatts. Este g´enero de velocidades de

(58)

sleep, reduzindo a sua capacidade de processamento ao m´ınimo, baixando o seu consumo energ´etico. Para voltar a acordar, o microcontrolador vai escutando

inter-rup¸cões que podem fazer com que este volte a à sua capacidade de opera¸cão máxima

ou anterior (Microchip,2007).

Nesta disserta¸c˜ao ´e utilizado um microcontrolador da Microchip: PIC18F2680. PIC

´

e o nome da fam´ılia da arquitetura Harvard para microcontroladores, e deriva do

PIC1650. Este foi originalmente desenvolvido pela General Instrument’s, na divis˜ao

de microeletr´onica, em 1976. Atualmente, os PIC s˜ao utilizados nos mais diferentes

sistemas embebidos. Um sistema embebido ´e um sistema computacional dedicado

a uma determinada fun¸cão, com diferentes atuadores mecânicos ou elétricos ou

sen-sores capazes de recolher os dados necess´arios ao correto funcionamento do sistema.

S˜ao tipicamente, sistemas de baixo consumo, tamanho reduzido, baixo custo e

re-sistˆencia.

As grandes diferen¸cas entre os vários PICs são a sua frequência m´axima de clock,

a sua mem´oria, a sua interface e n´umero de entradas e sa´ıdas, tamanho e custo.

O PIC18F2680 ´e um microprocessador de baixo custo, com uma capacidade de

processamento suficiente para a realiza¸c˜ao deste trabalho e com as entradas e sa´ıdas

necessárias à conce¸cão do sistema. Um aspeto importante, e que também levou à

escolhe deste microprocessador, ´e a possibilidade que este tem de comunicar por

(59)

3.2. AQUISIC¸ ˜AO DE DADOS - SENSORES 29

3.2 Aquisi¸

c˜

ao de Dados - Sensores

Um aspeto importante de um ve´ıculo operado remotamente (ROV) ´e poder recolher

informa¸c˜ao do ambiente que rodeia o mesmo. Essa informa¸c˜ao pode ser relativa a

v´arios aspetos: temperatura, humidade. luminosidade, entre outros.

Uma vez que o ve´ıculo para o qual o sistema de instrumenta¸c˜ao est´a a ser

desen-volvido ´e um ve´ıculo aqu´atico submers´ıvel, que pretende analisar a atividade da

fauna (essencialmente peixes), interessa recolher diferentes valores relacionados com

a zona que o rodeia. Para ambientes aqu´aticos, existem diferentes tipos de sensores

que se podem utilizar. Os principais parˆametros monitorizados em ambientes deste

género são: temperatura, oxigénio dissolvido, pH, condutividade elétrica, turbidez,

clorofila e cianobact´erias (C. P. Mainstone, 1990).

3.2.1 Temperatura

A temperatura é um fator que influência praticamente todos os fenómenos qu´ımicos

e biológicos no ambiente aquático. Todas as atividades fisiológicas dos peixes

(res-pira¸cão, reprodu¸cão, digestão, alimenta¸cão, etc) estão intimamente ligadas à

tem-peratura da ´agua.

Os peixes ajustam a sua temperatura corporal de acordo com a temperatura da

´

agua. Cada esp´ecie adapta-se melhor a uma determinada temperatura da ´agua,

me-lhorando o seu desenvolvimento nessa condi¸c˜ao. A essa temperatura podemos

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de forma negativa o comportamento do peixe, podendo reduzir o seu crescimento e

desenvolvimento. Desvios muito grandes em rela¸c˜ao ao valor ´otimo, podem resultar

na morte dos peixes afetados (J. S. Alabaster, 1982).

Os animais aquáticos apresentam uma baixa tolerância à varia¸cão de temperatura,

principalmente em casos de varia¸cões bruscas (choque térmico). O choque térmico é

extremamente perigoso para os ovos e larvas, podendo estes ser muito afetados por

varia¸c˜oes bruscas de 5o_C.

No caso dos peixes, o seu metabolismo ´e maior `a medida que a temperatura aumenta.

No entanto temperaturas muito acima da ´otima podem levar a que estes deixem de

se alimentar.

Figura 3.3 – Sensor de temperatura DS18B20

Um exemplo de sensor de temperatura da água é o DS18B20 (3.3) (Sensor DS18B20, 2016). Este sensor, à prova de água, tem uma exatidão de mais ou menos 0.5o_{C, e}

(61)

de uma liga¸c˜ao de dados de um fio. Outras carater´ısticas relevantes para o projeto

são a tensão de opera¸cão que pode variar entre 3V e 5.5V, uma faixa de medi¸cão

entre -55o_{C e 125}o_{C e a ponta ´}_{e em a¸co inoxid´}_avel.

3.2.2 Oxig´

enio Dissolvido

O oxigénio é o gás mais importante para os peixes, por isso é a ele que devemos dar

maior importância. Existem duas fontes de proveniência do mesmo: difusão direta

e processos de fotoss´ıntese.

Da atmosfera, o oxig´enio entra na ´agua principalmente devido a misturas de origem

mecˆanica, originadas pela a¸c˜ao do vento, por correntes naturais de massas h´ıdricas

ou por agita¸c˜oes causadas pela topologia do terreno (Vanessa Karla Silva).

A concentra¸cão do oxigénio na água varia também com a sua temperatura, bem

como a solubilidade do gás. Esta capacidade depende ainda da pressão atmosférica

e da salinidade da ´agua:

• A solubilidade do oxigénio na água diminui à medida que a temperatura au-menta;

• Com temperaturas mais altas, os peixes consomem o oxig´enio dissolvido na ´

agua e podem morrer de asfixia;

• A solubilidade do oxigénio dissolvido baixa com a redu¸cão da pressão at-mosférica.

(62)

A concentra¸cão de oxigénio dissolvido na água varia continuamente ao longo do dia,

consequˆencia dos processos f´ısicos, qu´ımicos e biol´ogicos.

Durante o dia o oxigénio é produzido por fotoss´ıntese, processo através do qual as

algas transformam o dióxido de carbono e a água em oxigénio e carbohidratos na

presen¸ca de luz. Durante a noite ocorre o processo inverso, o oxig´enio produzido

durante o dia é consumido pela respira¸cão, num processo em que o fitoplâncton

produz di´oxido de carbono com o consumo de oxig´enio e carbohidratos. No entanto,

a produ¸cão de oxigénio por fotoss´ıntese durante o dia é maior do que a de dióxido

de carbono (Vanessa Karla Silva).

Em dias claros, a taxa de processos fotossint´eticos aumenta, podendo permanecer

no máximo até ao pôr-do-sol, come¸cando a baixar no final da tarde. O céu nublado

causa um decr´escimo na taxa de fotoss´ıntese.

A concentra¸c˜ao m´ınima que cada esp´ecie de peixe pode suportar, em seguran¸ca,

varia, e depende tamb´em da temperatura. Muitas vezes, podemos associar baixos

n´ıveis de concentra¸c˜ao de oxig´enio a uma elevada atividade da fauna local (J. S.

Ala-baster, 1982).

A concentra¸cão de oxigénio pode ser expressa em mg/l, com recurso a uma análise

qu´ımica da ´agua (m´etodo de Winkler) ou com um ox´ımetro (por exemplo o HI

9146). Uma hipótese de liga¸cão ao sistema criado, é por exemplo o Dissolved

Oxy-gen Kit SEN-11194 da Sparkfun (3.4) (SEN11194, Sparkfun). O pre¸co deste kit ´e muito elevado quando comparado aos valores dos restantes componentes utilizados,

(63)

Al-3.2. AQUISIC¸ ˜AO DE DADOS - SENSORES 33

Figura 3.4 – Dissolved Oxygen Kit SEN-11194 da Sparkfun

gumas carater´ısticas interessantes s˜ao a sua gama de leitura que varia entre 0 e 20

mg/l, a ponta do sensor suporta at´e 50o_{C e faz leituras com precis˜}_{ao at´}_{e `}_{as d´}_ecimas

de unidade.

3.2.3 pH

A concentra¸cão de base e ácidos na água determina o seu pH. Os peixes sobrevivem

e crescem melhor em ´agua com pH entre 6 e 9. Se o pH sai dessa gama, o seu

desenvolvimento pode ser drasticamente afetado.

A respira¸cão, fotoss´ıntese e polui¸cão são fatores que podem causar mudan¸cas no pH

da água. Altera¸cões no pH da água podem provocar um elevado número de mortes

na popula¸c˜ao de peixes, especialmente em esp´ecies que apresentam maior dificuldade

em estabelecer um equil´ıbrio osm´otico ao n´ıvel das brˆanquias. Problemas deste tipo

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No in´ıcio da manhã, o n´ıvel de dióxido de carbono, por exemplo num ribeiro, é

tipicamente alto, ao que o o n´ıvel de pH ´e baixo. Isto resulta da respira¸c˜ao que

houve durante a noite. Durante o dia o n´ıvel de pH aumenta `a medida que o

dióxido de carbono é removido e o n´ıvel de oxigénio aumenta.

´

Aguas com uma elevada taxa de polui¸c˜ao podem tornar-se excessivamente ricas em

dióxido de carbono, além de outros gases. A concentra¸cão elevada destes gases

pode tornar-se nociva e provocar uma queda fatal no n´ıvel do pH da ´agua para as

popula¸c˜oes de peixes (J. S. Alabaster, 1982).

Figura 3.5 – pH Sensor Kit SEN-10972 da Sparkfun

Uma solu¸c˜ao de medidor de pH para o sistema desenvolvido pode ser o pH Sensor

Kit SEN-10972 da Sparkfun (3.5) (SEN10972, 2016). Embora o seu custo seja um pouco alto, ´e mais barato que o sensor de oxig´enio dissolvido. Este apresenta como

detalhes interessantes uma leitura que pode variar entre 0 e 14 pH, uma velocidade

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assim como o anterior, necessita de ser calibrado, usando solu¸c˜oes tamp˜ao.

3.2.4 Condutividade El´

etrica

Este parˆametro fornece informa¸c˜oes importantes sobre o metabolismo da fauna do

local em an´alise, podendo at´e ajudar a detetar fontes poluidoras no habitat natural.

Quando os valores detetados s˜ao elevados, indicam que o grau de decomposi¸c˜ao local

´

e elevado. Assim pode indicar uma acentuada produ¸c˜ao de algas e microorganismos

aqu´aticos. Este parˆametro pode ajudar a determinar a disponibilidade de nutrientes

do ecossistema aqu´atico (Ana Elisa Pereira Silva,2008).

A condutividade elétrica é um indicador da capacidade da água conduzir

eletrici-dade. A condutividade elétrica é tanto maior quanto menor for a pureza da água

em an´alise.

Figura 3.6 – Electrical Conductivity Kit SEN-12908 da Sparkfun