Monografia - Peixe Robô

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA DE SÃO PAULO
MODELAGEM, SIMULAÇÃO E
PROTOTIPAGEM DE UM PEIXE ROBÔ
HENRIQUE VITKAUSKAS DORIA
NATÁLIA MENDES CEOLDO
ORIENTADOR: Alexandre Brincalepe Campo
São Paulo
2015

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA DE SÃO PAULO
MODELAGEM, SIMULAÇÃO E
PROTOTIPAGEM DE UM PEIXE ROBÔ
HENRIQUE VITKAUSKAS DORIA
106231-X
NATÁLIA MENDES CEOLDO
097280-1
ORIENTADOR: Professor Alexandre Brincalepe Campo
Monografia apresentada para obtenção do grau em Engenharia de
Controle e Automação.
São Paulo
2015

Dedicamos este trabalho aos nossos amigos e
familiares, muito compreensivos em todos os
momentos da execução, e ao nosso orientador por
sempre nos indicar o caminho certo na execução do
trabalho.

AGRADECIMENTOS
Gostaríamos de agradecer aos amigos que de alguma forma auxiliaram na execução
do projeto, especialmente à ANACOM, empresa de Engenharia que fez a impressão da
estrutura final, e ao Labore, do Instituto Federal de São Paulo, que fez a impressão da
primeira estrutura do projeto.

RESUMO
Este trabalho tem por objetivo desenvolver um peixe robô autônomo que
mimetize o comportamento de um peixe real. Para a realização deste projeto
primeiramente foi feita uma revisão bibliográfica para uma melhor compreensão do estado
da arte de peixes robôs. Foi decidido desenvolver um peixe do tipo carangiforme capaz de
nadar tanto em linha reta como realizar curvas, detectar obstáculos e desviar dos mesmos,
assim como alterar sua profundidade debaixo d’água. O trabalho contém as descrições das
estruturas mecânicas utilizadas em todas as fases de desenvolvimento do sistema, assim
como os componentes eletrônicos que foram embarcados na versão final. Também serão
apresentados os resultados de dois ensaios, o de propulsão a partir da flexão medida em
uma barra engastada com o peixe fixado a mesma, e o ensaio final do peixe nadando de
maneira autônoma, com controle de profundidade. Por fim, é apresentado a conclusão do
projeto, discutindo propostas de aperfeiçoamento do sistema e melhorias que poderão ser
incorporadas à estrutura do robô.

ABSTRACT
This work aims to develop an autonomous robot fish that mimics the behaviour of a
real fish. To accomplish this goal first was made a review of the literature to better
understand the state of the art of fish robots. It was decided to develop a fish of
carangiform type that would be able to swim both straight as performs turning moves,
detect obstacles and divert them, as well as change its underwater depth. The work
contains the description of the mechanical structures used at all stages of system
development, as well as the electronics that were embedded in the final version. It is also
presented two tests, the propulsion one in which was measured the flexion forces applied
to a bar where the fish was attached to, and the final testing of the fish swimming
autonomously, with depth control. Finally it is presented the conclusion of the project,
discussing system improvement proposals and additions that can be incorporated into the
robot structure.

ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Peixe robô utilizado para exploração arqueológica............................................13
Figura 2: Classificação de peixes de acordo com seu modo de propulsão. ........................14
Figura 3: Estrutura interna de um peixe-robô ...................................................................14
Figura 4: Peixe robô nadando no tanque..........................................................................16
Figura 5: Estrutura da cauda movimentada por tendão......................................................16
Figura 6: Desenho da estrutura do sistema de arfagem.. ...................................................17
Figura 7: Estrutura com cauda a flexível e as demais partes rígidas..................................18
Figura 8: Gráfico que representa o posicionamento da cauda de um peixe robô
carangiforme em diversos instantes, considerando a equação (1)......................................19
Figura 9: Simulação do modelo proposto para realização de curvas..................................20
Figura 10: Simulação dos ângulos dos servomotores para realização de curvas. ...............21
Figura 11: Desenho em CAD do Tucuazul V1 .................................................................22
Figura 12: Vista isométrica do Tucuazul V2.....................................................................23
Figura 13: Vista lateral do Tucuazul V2...........................................................................23
Figura 14: Impressora 3D Dimension bst 1200es..............................................................24
Figura 15: Disposição das peças para a impressão no software de interface com a
impressora 3D..................................................................................................................24
Figura 16: Moldes produzidos pela impressora 3D...........................................................25
Figura 17: Moldes com o material de suporte retirado......................................................25
Figura 18: Parte superior com as engrenagens..................................................................26
Figura 19: Parte inferior com o circuito eletrônico e motor...............................................26
Figura 20: Impermeabilização com graxa náutica.............................................................27
Figura 21: Aplicação de parafina sobre o potenciômetro. .................................................27
Figura 22: Aplicação de fita isolante líquida na placa do circuito e nos contatos do motor.
........................................................................................................................................27
Figura 23: Servomotor com fita isolante líquida aplicada externamente............................28
Figura 24: Estrutura de ensaio para estudar as forças de propulsão de Tucuazul I.............29
Figura 25: Placa de aquisição e extensômetros fixados à esquerda....................................30
Figura 26: Tucuzul V1 fixado na barra vertical ................................................................31

Figura 27: Proposta de Zhong et al.(2013) para controle de altitude do peixe robô. ..........32
Figura 28: Sensor de pressão e temperatura BMP 180......................................................33
Figura 29: Malha de controle fechada para controle da profundidade do peixe. ................33
Figura 30: Vista superior da estrutura completa do peixe .................................................34
Figura 31: Eletrônica embarcada no peixe-robô................................................................35
Figura 32: Teste do peixe-robô.........................................................................................36
Figura 33: Resposta do peixe em relação a profundidade pré-estabelecida........................37
Figura 34: Módulo RF 433MHz (emissor e receptor) .......................................................38
Figura 35: Estação local de recebimento de dados............................................................39

SUMÁRIO
1 - INTRODUÇÃO................................................................................................................................ 10
2 - JUSTIFICATIVA............................................................................................................................. 12
3 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA........................................................................................................ 14
4 - MODELAGEM MATEMÁTICA E SIMULAÇÃO ..................................................................... 19
5 - DESCRIÇÃO DA ESTRUTURA ................................................................................................... 22
Estrutura do Tucuazul V1................................................................................................................... 22
Estrutura do Tucuazul V2................................................................................................................... 22
6 – ISOLAÇÃO DOS COMPONENTES ELETRÔNICOS .............................................................. 26
7 - ENSAIO DE PROPULSÃO ............................................................................................................ 29
8 - ENSAIO DE DIREÇÃO E PROFUNDIDADE ............................................................................. 32
UTILIZANDO A BIBLIOTECA PIDV1........................................................................................................... 35
DADOS OBTIDOS:...................................................................................................................................... 36
9 - COMUNICAÇÃO VIA RADIO FREQUÊNCIA.......................................................................... 38
10 - CONCLUSÃO ................................................................................................................................ 40
11 - REFERÊNCIAS............................................................................................................................. 41

10
1 - INTRODUÇÃO
As pesquisas na área de robótica vêm crescendo em anos recentes. As tecnologias
envolvidas no projeto desse tipo de dispositivo evoluem com grande velocidade e
viabilizam novas propostas.
Dividindo por áreas, nota-se que o sensoriamento, a comunicação, o gerenciamento
de energia, a eletrônica embarcada, a mecânica, o controle e a computação (Inteligência
Artificial) são áreas relacionadas ao estudo de robôs móveis. Pode-se observar, como
exemplo, a base de artigos do Institute of Electrical and Electronics Engineers – (IEEE).
Em pesquisa feita em julho de 2012 nota-se que 50% dos 540 artigos disponíveis no banco
de artigos (conferências e periódicos) com as palavras robot e fish foram publicados nos
anos de 2010, 2011 e 2012.
Os sensores que utilizam a tecnologia Microelectromechanical Systems (MEMS)
possibilitam a medição com precisão do estado em que se encontra o robô. Os giroscópios
e acelerômetros digitais de três eixos ficaram disponíveis a baixo custo apenas em anos
recentes, permitindo a medição da orientação do robô e o controle de atitude - ângulos de
rotação, guinada e arfagem.
A tecnologia de transmissão de dados sem fio está disseminada e os protocolos que
permitem troca de dados entre dispositivos de forma a minimizar perdas de informação
também evoluíram em anos recentes.
As baterias e outros sistemas de armazenamento, geração e reaproveitamento de
energia têm sido aperfeiçoados, sendo hoje um aspecto muito importante para a evolução
da pesquisa na área.
Os dispositivos eletrônicos necessários para o processamento dos sinais dos
sensores e para o controle do robô possuem uma capacidade de processamento crescente,
sendo que as tecnologias utilizadas podem envolver um ou mais microcontroladores
integrados num mesmo robô, até dispositivos lógicos programáveis do tipo FPGA (Field
Programmable Gate Array) especificamente desenhados para o gerenciamento do sistema
(HARTENSTEIN, 2007).
O projeto de robôs envolve um grande esforço de projeto mecânico, dado que a
estrutura deve ser suficientemente leve para que possa ser suportada pelos servomotores,
assim como deve ser robusta para suportar as condições a que o sistema é submetido. A
pesquisa de materiais para a construção dos robôs é um dos tópicos abordados na

11
bibliografia sobre o assunto. O projeto e a construção do dispositivo podem ser feitos
utilizando novos recursos disponíveis, como os scanners 3D e as impressoras 3D, ambos
disponíveis no IFSP.
O estudo da teoria de controle aplicada ao robô envolve desde o controle da
cinemática e da dinâmica do sistema, como o controle e supervisão do conjunto em
ambientes diversos, através da análise e processamento dos sinais dos sensores. As técnicas
de Inteligência
Artificial também têm sido aplicadas intensivamente na tentativa de solução dos
problemas complexos que se apresentam na implementação de soluções para dispositivos
robóticos.
Diante da multidisciplinaridade que o campo da robótica engloba e através de
estudos das áreas mencionadas, este trabalho tem como objetivo desenvolver um peixe
robô autônomo que mimetize o comportamento de um peixe real
Para que este objetivo seja alcançado foram determinadas as seguintes etapas para o
desenvolvimento do projeto:
a) elaboração de uma revisão bibliográfica sobre o tema (capítulo 3);
b) estudo da relação entre os parâmetros que definem a movimentação da cauda e
a força de propulsão gerada (capítulos 4 e 7);
c) desenvolvimento de sistemas eletrônicos e mecânicos que permitam a execução
de tarefas aquáticas (capítulos 5 e 6);
d) desenvolvimento de sistema de controle de profundidade (capítulo 8).
e) desenvolvimento do sistema de comunicação para coleta de dados dos sensores
embarcados (capítulo 9).

12
2 - JUSTIFICATIVA
Segundo Wang et al.(2011) a principal justificativa para se projetar um peixe robô
em substituição a equipamentos aquáticos submarinos com propulsores movidos a hélices
se deve à grande eficiência dinâmica do peixe, que no lugar de propulsores utiliza a
deformação e movimento de seu corpo para se locomover. No caso de um peixe robô a
atuação se dá através de atuadores elétricos e diversos outros materiais apropriados.
Segundo Chan et al, 2007 excluindo veículos submarinos com turbinas de alta
velocidade, os peixes são mais eficientes no deslocamento, geram menos ruído com
superior vantagem para exploração e vigilância subaquática. Partindo-se desse pressuposto,
vê-se as vantagens do desenvolvimento de um peixe robô para uso tanto de exploração
marinha como exposição em aquários.
Outras diversas aplicações para a utilização de um peixe robô:
 Exploração oceânica ou em rios;
 Vigilância;
 Inspeção de destroços;
 Manutenção de plataformas offshore;
 Inspeção ambiental;
 Inspeção de tubulações de óleo;
 Inspeção de dutos de esgoto;
 Inspeção de redes de abastecimento de água ou
 Coleta e análise de dados intra-corpóreos.
Um exemplo é o peixe robô SPC-03 (Figura 1) utilizado para exploração
arqueológica em 2004 de um navio de guerra naufragado. Segundo Chowdhury, 2014,
o robô explorou mais de 4000 m² de superfície em seis horas de imersão, registrou
fotografias e as transmitiu para a superfície.

13
Figura 1: Peixe robô utilizado para exploração arqueológica.

14
3 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Desde 2004 a equipe do pesquisador Yu produziu diversos artigos analisando
variados aspectos do projeto de peixes robô (2004, 2005, 2006, 2007, 2008e 2011), e os
classifica em relação ao modo como executam sua propulsão nas seguintes classes:
anguiliformes, carangiformes e ostraciformes, como mostra a Figura 2, em que a parte
pintada do corpo representa a proporção da cauda que realiza o movimento.
Figura 2: Classificação de peixes de acordo com seu modo de propulsão.
Fonte: Yu, 2005.
Na Figura 3 é apresentada a estrutura interna de um robô carangiforme
desenvolvido pelo grupo de Yu.
Figura 3: Estrutura interna de um peixe-robô
Fonte: Yu, 2005

15
Segundo Chan et al. (2007) o modelo mais simples de locomoção de um peixe é o
modo ostraciforme, desse modo para o início do desenvolvimento desse robô foi escolhido
esse tipo por se tratar de um sistema mecânico mais simples e por usar apenas um atuador
para gerar deslocamento, utilizando sistemas de variação do centro de gravidade do peixe
para equilíbrio e direcionamento do peixe.
Segundo a bibliografia pesquisada, os peixes robô são o futuro da exploração
aquática e vigilância marinha (Chan et al., 2007), mas também podem ser encontradas
aplicações em monitoramento ambiental (Oyekan, 2011) e observação da vida marinha
(Bhadauria et al., 2010).
O estudo do movimento dos peixes robô através da construção de protótipos e de
simulações computacionais vem permitindo a análise de diversas configurações de
estrutura, possibilitando uma melhor compreensão do problema.
Chowdhury et al. (2011) estudam a dinâmica de um robô que imita a locomoção de
um peixe real, ou seja, usando movimentos oscilatórios senoidais. Em seu trabalho são
apresentadas simulações computacionais e permitindo uma parametrização do projeto
através da ferramenta MATLAB, que também está sendo utilizada nesta pesquisa.
No trabalho de Kim et al. (2007) é feito um estudo da otimização de propulsão de
um peixe-robô articulado. Seus elos utilizam servomotores, já a segunda ligação é feita
com uma mola, para simular o movimento suave dos peixes. Outras estruturas estudadas
incluem o uso de um maior conjunto de nadadeiras (Lachat et al., 2006) e (Parameswaran
et al., 2011), além de utilizarem diversos sensores para determinar a orientação do robô
(Liu et al., 2005).
Alguns trabalhos são direcionados para a adaptação de características do
comportamento dos peixes reais aos protótipos robóticos, como o trabalho de Swain et al.
(2012), que apresenta um sistema em que o peixe segue um “líder” como referência.
Segundo Tan et al. (2006) o peixe robô autônomo desenvolvido apresenta um
dispositivo que mimetiza movimentos naturais possuindo boa eficiência energética e baixo
ruído (Figura 4). Para executar a propulsão do robô é utilizado um atuador IPMC
(compósito iônico de metal-polímero) equipado com receptor GPS, módulo de
comunicação wireless ZigBee, um microcontrolador PIC e um sensor de temperatura
LM335.

16
Figura 4: Peixe robô nadando no tanque.
Fonte: Tan, 2006.
Os trabalhos de Xu et al. (2011), Xiao et al. (2011) e Wang et al. (2011) apresentam
a modelagem e o controle de um peixe robô. Nestes trabalhos resultados experimentais e
simulações com diversas técnicas de controle são estudadas.
O controle de atitude de um peixe robô é apresentado por Barbera et al. (2011)
utilizando resultados experimentais coletados através de acelerômetros e giroscópios
digitais.
Zhong et al. (2013), desenvolveu um peixe robô utilizando um tendão na cauda a
partir de um único fio rígido, tendo assim um movimento mais suave, utilizando para isso
um único servomotor (Figura 5). Toda a parte de orientação foi feita utilizando nadadeiras
peitorais.
Figura 5: Estrutura da cauda movimentada por tendão.
Fonte: Zhong, 2013.

17
No trabalho de Phamduy et al. (2015), é dado um enfoque maior no campo
educacional, onde foi desenvolvido um peixe que possui interatividade com um iDevice,
numa plataforma didática, é possível que uma pessoa leiga ‘desenhe’ uma trajetória para o
peixe, ou então que o controle manualmente. O modo autônomo também é desenvolvido
nessa versão.
No protótipo de Alessi (2012) o robô muda seu centro de massa para realizar o
movimento de arfagem e assim emergir ou submergir na água, para isso ele desloca a
bateria posicionada na cabeça e utiliza um sensor de pressão para obter os dados de
profundidade (Figura 6). Já para a detecção de obstáculos foram utilizados sensores
ultrassônicos distribuídos simetricamente.
Figura 6: Desenho da estrutura do sistema de arfagem. (a) bateria; (b) motor de passo; (c) parafuso
sem fim.
Fonte: Alesse, 2012.
O peixe robô proposto por Daou et al (2012) possui apenas um servomotor
responsável pelo movimento da cauda, pois esta é feita com material flexível, enquanto as
demais partes são feitas com matéria rígido (Figura 7).

18
Figura 7: Estrutura com cauda a flexível e as demais partes rígidas.
Fonte: Daou, 2012.

19
4 - MODELAGEM MATEMÁTICA E SIMULAÇÃO
No trabalho de Yu et al. (2005) é apresentado um modelo matemático que
representa a movimentação da cauda de um robô carangiforme enquanto este executa seu
movimento na água, de acordo com a função representada pela equação 1.
)()(),( 2
21 tkxsenxcxctxycorpo  (1)
Nota-se que se trata de uma função senoidal modulada por uma função quadrática,
sendo que os parâmetros c1, c2 e k podem ser ajustados para representar o movimento
específico de um determinado peixe.
O parâmetro  pode ser utilizado para escolher a frequência de oscilação da cauda
do robô, alterando sua velocidade de propulsão.
O parâmetro t define o instante em que é representado o posicionamento completo
da cauda. Este estudo pode ser utilizado como referência para a definição da cinemática
direta a ser aplicada no peixe robô.
Figura 8: Gráfico que representa o posicionamento da cauda de um peixe robô carangiforme em
diversos instantes, considerando a equação (1).
Fonte: elaborado pelo autor.
O gráfico da Figura 8 foi gerado a partir de simulações executadas em programa
MATLAB, de acordo com os resultados apresentados por Yu et al. (2005).

20
A Equação 1 modela o movimento da cauda do peixe para nadar em linha reta, para
fazer curvas é proposta uma nova equação (Equação 2), com a adição de uma variável vc
elevada ao expoente 3,5. Quando a variável vc for diferente de 0, a função irá oscilar em
torno de uma curva.
ccorpo vtkxsenxcxctxy  )()(),( 2
21  (2)
O gráfico a seguir (Figura 9) mostra o resultado obtido de uma simulação no
MATLAB de acordo com a equação 2, considerando um valor vc>0. A curva azul
(contínua) representa a função, enquanto os segmentos vermelhos (tracejado) representam
os elos do peixe-robô, e as cruzes representam as juntas, sendo a última cruz representando
o último ponto da cauda do peixe-robô.
Figura 9: Simulação do modelo proposto para realização de curvas.
Para vc>0 o sentido da curva é feita para o lado direito do peixe, para vc<0, a curva
é feita para o lado esquerdo.

21
A figura 10 mostra os valores dos ângulos de cada servomotor em função do tempo,
também obtidos a partir da simulação utilizando a equação 2. Sendo que quanto mais
próximo o servomotor da cabeça, menor a amplitude da senóide.
Figura 10: Simulação dos ângulos dos servomotores para realização de curvas. Sendo:
(a) servomotor mais próximo a cabeça; (b) servomotor do meio; (c) servomotor mais distante da cabeça.

22
5 - DESCRIÇÃO DA ESTRUTURA
Nos itens a seguir serão descritas as estruturas utilizadas para fazer o estudo do
peixe robô em suas diversas fases de desenvolvimento.
Estrutura do Tucuazul V1
No presente trabalho um peixe biomimético de quatro graus de liberdade com uma
estrutura carangiforme, nomeado Tucuazul V1 (Figura 11) foi projetado e construído.
Diversos ensaios experimentais foram desenvolvidos em um tanque de água onde as forças
de propulsão e questões de análise das manobras foram realizadas através do uso de uma
estrutura de ensaio. As forças geradas durante os testes, quando o movimento do robô
peixe foi realizado foram medidos através da utilização de um conjunto de sensores
extensométricos unidos a uma barra vertical, os resultados serão apresentados no capítulo
7.
Figura 11: Desenho em CAD do Tucuazul V1
Estrutura do Tucuazul V2
Na segunda versão do Tucuazul, foram adicionadas diversas funcionalidades em
relação ao projeto anterior, dentre elas, a que mais se destaque é o visual que se assemelha
com um peixe real (Figuras 12 e 13).
Quanto as funcionalidades, foram adicionadas as barbatanas laterais e superiores.
As barbatanas laterais apresentam uma função importante no sensoriamento do peixe

23
dentro da água, sendo responsável pela mudança de profundidade e estabilização do
mesmo.
Figura 12: Vista isométrica do Tucuazul V2.
Figura 13: Vista lateral do Tucuazul V2.

24
Os desenhos foram feitos no software SolidWorks, e toda a prototipagem foi feita
utilizando uma impressora 3D da marca Dimension bst 1200es, que pode ser vista na
figura 14.
Figura 14: Impressora 3D Dimension bst 1200es.
A partir dos desenhos feitos no SolidWorks, foram gerados os arquivos com a
extensão .STL que seriam posteriormente usados no programa de interface da impressora
3D. Para melhor aproveitamento da impressão, foram acomodadas diversas peças para
serem impressas simultaneamente, como pode ser visto na figura 15:
Figura 15: Disposição das peças para a impressão no software de interface com a impressora 3D

25
Logo após a impressão, as peças foram retiradas como pode ser visto na Figura 16.
Todo o material em amarelo é a estrutura em si, e o material em cinza consiste num
material de suporte utilizado durante o processo de impressão, podendo ser removido
posteriormente.
Figura 16: Moldes produzidos pela impressora 3D
Na figura 17, é possível observar as partes da estrutura já com o material de suporte
retirado. Nessa imagem são apresentadas as nadadeiras laterais (esquerda e direita), assim
como as coberturas superiores e inferiores da parte frontal do peixe.
Figura 17: Moldes com o material de suporte retirado

26
6 – ISOLAÇÃO DOS COMPONENTES ELETRÔNICOS
Um dos desafios da elaboração de um robô subaquático é isolar toda sua eletrônica
de qualquer contato com a água para evitar curto circuitos que podem danificar seu
funcionamento.
Para impermeabilizar os servomotores foram utilizados os seguintes materiais:
graxa náutica, parafina e fita isolante líquida.
A estrutura mecânica do servomotor pode ser dividida em duas partes: a superior
que contém o sistema de engrenagens acoplado ao eixo do motor elétrico (Figura 18) e a
inferior que contém o circuito eletrônico e onde encontra-se o motor elétrico (Figura 19).
Figura 18: Parte superior com as engrenagens.
Figura 19: Parte inferior com o circuito eletrônico e motor.
A graxa náutica foi utilizada na parte superior para evitar que água entre pelo eixo
do servomotor. A graxa náutica permite a impermeabilização das engrenagens mantendo
sua mobilidade e lubrificação (Figura 20).

27
Figura 20: Impermeabilização com graxa náutica.
Para parte inferior primeiro aplicou-se parafina sobre o potenciômetro (Figura 21)
para que depois ao aplicar a fita isolante líquida (Figura 22), a mesma não infiltrasse no
lado das engrenagens.
Figura 21: Aplicação de parafina sobre o potenciômetro.
Figura 22: Aplicação de fita isolante líquida na placa do circuito e nos contatos do motor.

28
Por último, aplicou-se a fita isolante líquida externamente na estrutura do
servomotor para evitar que a água entre pelas frestas de seus encaixes (Figura 23).
Figura 23: Servomotor com fita isolante líquida aplicada externamente.
A bateria, a placa eletrônica com o microcontrolador e os sensores de
infravermelhos foram isolados do contato com a água dentro de caixa vedadas com
silicone.

29
7 - ENSAIO DE PROPULSÃO
Nesse ensaio, buscou-se analisar as forças de propulsão do peixe de acordo com a
sua frequência de movimento da cauda. O sistema se baseia numa barra com
extensômetros, na qual o peixe foi fixado. Na Figura 24 é apresentada uma vista lateral do
sistema. Os extensômetros ligados à barra vertical foram escolhidos para medir a força de
propulsão e a força de torção. Estas forças são medidas através da utilização de uma ponte
completa de extensômetros e a tensão gerada foi medida diretamente na placa de aquisição.
Para usar o recurso foi necessário um procedimento de calibração. Depois disso, os
gráficos gerados foram tratados para apresentar os dados na unidade de sistema
internacional.
Figura 24: Estrutura de ensaio para estudar as forças de propulsão de Tucuazul I
Na Figura 25 é apresentada uma imagem dos medidores de torção e flexão
(extensômetros) e a placa de aquisição utilizada para medir as forças.

30
Figura 25: Placa de aquisição e extensômetros fixados à esquerda.
Aplicando a solução cinemática apresentada na equação 2, em diferentes
freqüências, observou-se que a raiz quadrada da média da força de propulsão é maior em
freqüências mais altas. Este era o resultado esperado uma vez que a velocidade de
propulsão maior de peixes carangiformes são observados quando existe uma elevada
frequência no movimento da cauda. Na freqüência de 1,2Hz, observou-se uma força total
de propulsão de 41,9 gf. (Tabela 1)
Com uma frequência de 0,6 Hz, observou-se que a diminuição força de propulsão a
16 gf. Com a mesma frequência, mas utilizando uma maior amplitude de movimento da
cauda, observou-se uma força de propulsão de 25,6 gf
Tabela 1 - Resumo dos resultados experimentais obtidos para análise da propulsão.
Frequência (HZ) Fator Multiplicador de Amplitude Propulsão (gf)
0.6 1 16
1,2 1,1 41,9
0,8 1,1 23,5
0,6 1,1 22,2
0,6 1,3 25,4
0,6 1,2 20,1
A estrutura de testes é apresentada na figura 26. É possível ver os servomotores, os
links e a barra na qual está fixada ao peixe e onde estão fixados os extensômetros.

31
Figura 26: Tucuzul V1 fixado na barra vertical

32
8 - ENSAIO DE DIREÇÃO E PROFUNDIDADE
Neste trabalho é apresentado o estudo sobre a influência nadadeiras peitorais em
direção e profundidade de um peixe robô carangiforme autônomo dentro de um tanque de
água. De acordo com os dados adquiridos pelo sensor de pressão do peixe-robô, o
equilíbrio e profundidade são controlados utilizando dois servomotores ligados às
barbatanas peitorais. A profundidade do peixe pode ser analisada usando estes dados.
Nesse ensaio é analisada também a resposta do peixe nadando de maneira autônoma, com
a detecção de obstáculos via sensor infravermelho.
Segundo Zhong et al. (2013), utilizando as barbatanas laterais (Figura 27), é
possível manter o equilíbrio do peixe e alterar seu deslocamento latitudinal.
Figura 27: Proposta de Zhong et al.(2013) para controle de altitude do peixe robô.
Fonte: Zhong, 2013.
A mudança de profundidade é feita a partir do mesmo princípio, mudando a direção
das barbatanas, é possível fazer com que o peixe mude sua orientação dentro do ambiente
aquático.
Para a aquisição de dados do sensor e estudo da resposta, foi utilizado um módulo
de comunicação RF de 433MHz (maiores informações podem ser vistas no capítulo 9).

33
O sensor de pressão utilizado foi o BMP 180 (Figura 28), que possui internamente
um sensor de temperatura e pressão. O sensor em questão utiliza o protocolo I2C para
interface com um microcontrolador.
Figura 28: Sensor de pressão e temperatura BMP 180
Figura 29: Malha de controle fechada para controle da profundidade do peixe.
O diagrama de blocos do controle de profundidade em malha fechada pode ser visto
na figura 29, cujo bloco PLANTA corresponde à função de transferência que relaciona a
posição dos atuadores com a variável de saída, que no caso é a profundidade do peixe.
A partir dos dados do sensor de pressão, foi desenvolvida uma lógica utilizando o
microcontrolador para estabilizar o peixe, mantendo o equilíbrio do mesmo, utilizando as
barbatanas.

34
Figura 30: Vista superior da estrutura completa do peixe
Na figura 30 é possível ver toda a estrutura da plataforma utilizada no teste de
profundidade, desde os servomotores responsáveis pela propulsão do robô, os
servomotores de controle das barbatanas, sensores infravermelho para detecção de
obstáculos, e as caixas para acomodação da eletrônica embarcada e da bateria de lítio. Na
figura 31 é possível ver em detalhes a caixa que contêm o microcontrolador, sensor de
pressão e módulo emissor RF.

35
Figura 31: Eletrônica embarcada no peixe-robô
O microcontrolador Arduino Nano foi utilizado como controlador PI. Nos testes
feitos, os ganhos do controlador PI foram estipulados arbitrariamente da seguinte maneira:
Ganho proporcional do controlador – 1
Ganho integral do controlador – 0.1
Utilizando a biblioteca PIDv1
float Kp = 1;
float Ki = 0.1;
float Kd = 0;
double Setpoint, Input, Output, ServoOutput;
PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT);
/* CONFIGURAÇÃO DO PID*/
//leitura valor de pressão do BMP085
Input = bmp.readAltitude(); //leitura de valor da altitude a partir do BMP085
//setar objeto PID para automatico
//setar os limites do servo para -80 e 80
myPID.SetMode(AUTOMATIC);

36
myPID.SetOutputLimits(-80,80);
Setpoint = 15; //IMPORTANTE AJUSTAR SET POINT
Input = bmp.readAltitude();
//computa a saída dos servos no alcance de -80 a 80
myPID.Compute();
ServoOutput=102+Output; // IMPORTANTE AJUSTAR ESSE VALOR
//escreve o valor de saída no servo
Servo4.write(ServoOutput);
Servo5.write(ServoOutput);
Dados obtidos:
Figura 32: Teste do peixe-robô
O peixe foi então colocado no tanque (Figura 32), com um setpoint previamente
estabelecido, 1m de profundidade em relação a superfície. Considerando que o peixe
estava a 0m de profundidade no início, depois de 110 segundos, chegou à um valor
próximo ao setpoint, com um erro de regime de aproximadamente 0,08m. Após 220

37
segundos, o setpoint foi alterado, de 1m de profundidade para 0,5m de profundidade. O
peixe-robô seguiu então para o novo setpoint estipulado.
Os dados recebidos do sensor de pressão e o setpoint são indicados no gráfico
abaixo (Figura 33).
Figura 33: Resposta do peixe em relação a profundidade pré-estabelecida

38
9 - COMUNICAÇÃO VIA RADIO FREQUÊNCIA
Módulos mais populares de comunicação como Wifi e Bluetooth apresentam uma
frequência muito alta (2.4GHz). Essas frequências apresentam problemas para
comunicação especialmente em ambiente aquático, onde não é possível enviar dados muito
além de alguns centímetros.
Os módulos RF operam numa faixa de frequência menor do que as convencionais,
que é 433MHz. Essas baixas frequências operam muito bem em ambiente aquático, e até
mesmo para operações menos robustas, como por exemplo controle remoto de tv, garagem,
etc. No ambiente aquático, foi possível receber dados do módulo RF em distâncias de até
7m.
Este Módulo é composto por um emissor e um receptor de rádio, que opera
na frequência 433Mhz com modulação AM, para ser usado em projetos de comunicação
sem fio com microcontroladores Arduino entre outros, está presente também em sistemas
de alarmes, controle remoto e robótica em geral. Os módulos alcançam até 200 metros sem
obstáculos. O alcance pode ser alterado caso seja inserida uma antena.
Figura 34: Módulo RF 433MHz (emissor e receptor)
Características construtivas:
Transmissor:
Frequência: 433.92Mhz
Modelo: MX-FS-03V
Distância de transmissão: 20m a 200m (depende da tensão)
Tensão: 3,5V ~ 12V
Dimensões: 19mm x 19mm
Tipo de modulação: AM
Potência de transmissão: 10mW
Antena: 25cm

39
Velociade de transmissão: 4Kb/s
Pinos: Dados, VCC e GND
Receptor:
Frequência: 433.92Mhz
Modelo: MX-05V
Tensão: 5VCC
Corrente: 4mA
Sensibilidade: -105db
Antena: 35cm
Dimensões: 30mm x 17mm x 7mm
O módulo transmissor foi embarcado no peixe, e envia dados via Rádio Frequência
para uma estação local, com um receptor, ligado a um Arduino Uno, conectado a um
computador (Figura 35). Os dados foram recebidos via monitor serial, e posteriormente
transcritos a uma planilha Excel para tratamento dos dados.
Figura 35: Estação local de recebimento de dados

40
10 - CONCLUSÃO
Os resultados obtidos com os ensaios ficaram dentro do esperado. O ensaio de
propulsão nos mostra que quanto maior é a velocidade ou a amplitude do movimento da
cauda, maior é a força de propulsão exercida pelo peixe.
Já o segundo ensaio mostra que o peixe-robô foi capaz de mudar sua profundidade
na água através do movimento das barbatanas laterais e buscar o valor de referência
configurado, apesar de existir um erro estacionário. Uma possível causa do erro é o ajuste
dos ganhos do controlador Proporcional-integral (PI), que poderá ser aperfeiçoado.
O atual tempo de resposta está relacionado particularmente a três fatores:
novamente os valores de ganho do controlador PI; limitação mecânica da influência das
barbatanas laterais para mudança de profundidade; e/ou velocidade da movimentação da
cauda do peixe-robô.
A finalização desta etapa do projeto abre novas possibilidade de melhorias e
implementações de funcionalidades para o peixe-robô. Um exemplo de aperfeiçoamento
está relacionado à adição de sensores extras, tais como o acelerômetro e o giroscópio.
Também poderiam ser utilizados sensores de temperatura e de pH para medir a acidez da
água ou até mesmo um modo de controle manual a partir de uma interface em smartphone
ou tablet para interação com visitantes de um aquário.
Por conta da multidisciplinaridade deste trabalho, foi possível obter uma
experiência muito rica para todos os envolvidos neste projeto, pois agregou conhecimento
em diferentes áreas da Engenharia como mecânica, eletrônica e computação. Além disso
durante todo o desenvolvimento do projeto não faltaram oportunidades para melhorar
habilidades essenciais para um profissional de engenharia como trabalho em equipe,
pesquisa, planejamento e resolução de problemas.

41
11 - REFERÊNCIAS
ALESSI, A.; SUDANO, A.; ACCOTO, D.; GUGLIELMELLI, E. Development of an
Autonomous Robotic Fish. IN: The Fourth IEEE RAS/EMBS International Conference
on Biomedical Robotics and Biomechatronics, Roma, Italy, June 24-27, 2012.
BARBERA, G.; PI, L.; DENG, X. Attitude Control for a Pectoral Fin Actuated Bio-
inspired Robotic Fish. IN: IEEE International Conference on Robotics and Automation,
Shanghai International Conference Center, Shanghai, China, May 9-13, 2011.
BHADAURIA, D.; ISLER, V.; STUDENSKI, A.; TOKEKAR, P. A Robotic Sensor
Network for Monitoring Carp in Minnesota Lakes. IN: IEEE International Conference
on Robotics and Automation, Anchorage Convention District, Anchorage, Alaska, USA,
May 3-8, 2010.
CHAN, W. L.; KANG, T.; LEE, Y. J. SUNG, S. K.; YOON, K. J. Swimming Study on an
Ostraciiform Fish Robot. IN: International Conference on Control, Automation and
Systems, COEX, Seoul, Korea, Oct. 17-20, 2007.
CHAN, W. L.; KANG, T. Simultaneous Determination of Drag Coefficient and Added
Mass. IN: IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING, VOL. 36, Nº. 3, pp. 422-
430, July, Dept. of Aerosp. Inf. Eng., Konkuk Univ., Seoul, South Korea, 2011.
CHOWDHURY, A. R. Modeling and Control of a Bioinspired Robotic Fish
Underwater Vehicle and its Propulsion Mechanism. 2014. Tese doutorado –
Department of Electrical and Computer Engineering, National University of Singapore,
Singapore.
DAOU, H. E.; SALUMÄE, T.; TOMING, G.; KRUUSMAA, M. A Bio-inspired
Compliant Robotic Fish: Design and Experiments. IN: IEEE International Conference
on Robtics and Automation, RiverCentre, Saint Paul, Minnesota, USA, May 14-18, 2012.

42
GEDER, J. D.; PALMISANO, J.; RAMAMURTI, R.; SANDBERG, W. C.; RATNA, B.
Fuzzy Logic PID Based Control Design and Performance for a Pectoral Fin Propelled
Unmanned Underwater Vehicle. IN: International Conference on Control, Automation
and Systems, COEX, Oct. 14-17, Seoul, Korea, 2008.
GAO, A.; TECHET, A. H. Design Considerations for a Robotic Flying Fish.
Department of Mechanical Engineering Massachusetts Institute of Technology Cambridge,
Massachusetts, 19-22 Sept, MA, USA, 2011.
HARTENSTEIN, R. , KAISERSLAUTERN, T., Basics of Reconfigurable Computing.
In: Henkel, J. Parameswaran, S. (Ed.). Designing Embedded Processors. Netherlands: pp.
451–501, Springer, 2007.
PALMISANO, J.; GEDER, J.; RAMAMURTI, R.; LIU, K.; COHEN, J.; MENGESHA,
T.; NACIRI, J.; SANDBERG, W.; RATNA, B. Design, Development, and Testing of
Flapping Fins with Actively Controlled Curvature for an Unmanned Underwater
Vehicle, p. 283-294, 2008.
KIM, H. S.; LEE, B. R.; KIM, R. A Study on the Motion Mechanism of Articulated
Fish Robot. IN: IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, August
5 - 8, 2007, Harbin, China. Harbin, 2007.
LACHAT, D.; CRESPI, A.; IJSPEERT, A. J. BoxyBot: a swimming and crawling fish
robot controlled by a central pattern generator. IN: BIOROB-CONF-2006-010,
Lausanne, Switzerland, 2006.
LIU, J.; HU, H. Mimicry of Sharp Turning Behaviours in a Robotic Fish. IN: IEEE
International Conference on Robotics and Automation, Barcelona, Spain, April 2005.
Barcelona, 2005.
MING, W.; JUNZHI, Y.; MIN, T.; GUIQINGL, Z. A CPG-based Sensory Feedback
Control Method for Robotic Fish Locomotion. IN: 30th Chinese Control Conference,
July 22-24, 2011, Yantai, China. Yantai, 2011.

43
OYEKAN, J.; LU, B.; HU, H.; GU, D. Using CFD in Robotic Simulators for pollution
Monitoring. IN: 3rd Computer Science and Electronic Engineering Conference (CEEC)
University of Essex, UK, 2011.
PARAMESWARAN, S.; SELVIN, S. Fish Model for Underwater Robots. IN:
IEEE/INDICON India Conference, Ernakulam, India, December 16-18, 2011.
PHAMDUY, P.; LeGRAND, R.; PORFIRI, M. Design and Characterization of an
Interactive iDevice-Controlled Robotic Fish for Informal Science Education. IN:
IEEE Robotics & Automation Magazine, New York, United States, March, 2015.
ROSSI, C.; CORAL, W.; COLORADO, J.; BARRIENTOS, A. A Motor-less and Gear-
less Bio-mimetic Robotic Fish Design. IN: IEEE International Conference on Robotics
and Automation, Shanghai International Conference Center, , Shanghai, China, May 9-13,
2011.
SWAIN, D. T.; COUZIN, I. D.; LEONARD, N. E. Real-Time Feedback-Controlled
Robotic Fish for Behavioral ExperimentsWith Fish Schools. IN: IEEE Vol. 100,Nº. 1,
January 2012. Anais… New Jersey, 2012.
TAN, X.; KIM, D.; USHER, N.; LABOY, D.; JACKSON, J.; KAPETANOVIC, A.;
RAPAI, J.; SABADUS, B.; ZHOU, X. An Autonomous Robotic Fish for Mobile
Sensing. IN: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,
October 9 - 15, 2006, Beijing, China. Beijing, 2006.
WANG, S.; DONG, X.; SHANG, L. J. Thrust Analysis of the Undulating Ribbon-Fin
for Biomimetic Underwater Robots. IN: 2nd International Conference on Intelligent
Control and Information Processing, Harbin, China, Jul 25-28, 2011,.
WANG, J.; ALEQUIN, F. R.; TAN, X. Dynamic Modeling of Robotic Fish and Its
Experimental Validation. IN: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots
and Systems, San Francisco, CA, USA September 25-30, 2011.

44
XIAO, Q.; KONG, F.; TAO, J. Research on Point-to-point of Biomimetic Robot-fish
Based on Fuzzy Control. IN: International Conference on Electric Information and
Control Engineering (ICEICE), , Liuzhou, China, 2011.
XU, J. X.; NIU, X. L. Analytical control design for a biomimetic robotic fish. IEEE
International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), , Singapore, Singapore, 27-30
June 2011.
YU, J.; TAN, M.; WANG, S.; CHEN, E. Development of a Biomimetic Robotic Fish
and Its Control Algorithm. IN: IEEE Transactions on Onsystems, man, and cybernetics -
TRANSACTIONS - PART B: CYBERNETICS, VOL. 34, Nº. 4, Beijing, China, august
2004.
YU, J.; WANG, L.; TAN, M. A Framework for Biomimetic Robot Fish’s Design and
Its Realization. IN: American Control Conference,. Portland, OR, USA, June 8-10, 2005.
YU, J.; LIU, L.; TAN, M. Dynamic Modeling of Multi-link Swimming Robot Capable
of 3-D Motion. IN: IEEE International Conference on Mechatronics and Automation,
Harbin, China. Harbin, August 5 - 8, 2007.
YU, J.; WANG, L.; TAN, M. Geometric Optimization of Relative Link Lengths for
Biomimetic Robotic Fish. IN: IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS, VOL. 23, Nº. 2,
Tallinn, Estonia, APRIL 2007.
YU, J,; LIU, L.; WANG, L. TAN, M. XU, D. Turning Control of a Multilink
Biomimetic Robotic Fish. IN: IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS, VOL. 24, NO.
1, , Beijing, China, FEBRUARY 2008.
YU, J.; WANG, M.; WANG, W.; ZHANG, J. Design and Control of a Fish-Inspired
Multimodal Swimming Robot. IN: IEEE International Conference on Robotics and
Automation, Shanghai International Conference Center, Shanghai, China, May 9-13, 2011.

45
ZHONG, Y.; Li, Z. The design and Prototyping of a Wire-driven Robot Fish with
Pectoral Fins. IN:IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO),
Shenzhen, China, December 2013.

Monografia - Peixe Robô

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (10)

Destaque

Destaque (13)

Semelhante a Monografia - Peixe Robô

Semelhante a Monografia - Peixe Robô (20)

Mais de Henrique Dória

Mais de Henrique Dória (9)

Monografia - Peixe Robô