Utilização de métodos ópticos de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fractura de adesivos estruturais

Mestrado em Engenharia Mecânica

Sistema de visão e laser para percepção em ambientes subaquáticos

A exploração do meio subaquático utilizando visão computacional é ainda um processo complexo. Geralmente são utilizados sistemas de visão baseados em visão stereo, no entanto, esta abordagem apresenta limitações, é pouco precisa e é exigente em termos computacionais quando o meio de operação é o subaquático. Estas limitações surgem principalmente em dois cenários de aplicação: quando existe escassez de iluminação e em operações junto a infraestruturas subaquáticas. Consequentemente, a solução reside na utilização de fontes de informação sensorial alternativas ou complementares ao sistema de visão computacional. Neste trabalho propõe-se o desenvolvimento de um sistema de percepção subaquático que combina uma câmara e um projetor laser de um feixe em linha, onde o projetor de luz estruturada _e utilizado como fonte de informação. Em qualquer sistema de visão computacional, e ainda mais relevante em sistemas baseados em triangulação, a sua correta calibração toma um papel fulcral para a qualidade das medidas obtidas com o sistema. A calibração do sistema de visão laser foi dividida em duas etapas. A primeira etapa diz respeito à calibração da câmara, onde são definidos os parâmetros intrínsecos e os parâmetros extrínsecos relativos a este sensor. A segunda etapa define a relação entre a câmara e o laser, sendo esta etapa necessária para a obtenção de imagens tridimensionais. Assim, um dos principais desafios desta dissertação passou por resolver o problema da calibração inerente a este sistema. Desse modo, foi desenvolvida uma ferramenta que requer, pelo menos duas fotos do padrão de xadrez, com perspectivas diferentes. O método proposto foi caracterizado e validado em ambientes secos e subaquáticos. Os resultados obtidos mostram que o sistema _e preciso e os valores de profundidade obtidos apresentam um erro significativamente baixo (inferiores a 1 mm), mesmo com uma base-line (distância entre a centro óptico da câmara e o plano de incidência do laser) reduzida.

Influência do tipo de adesivo em juntas híbridas soldadas-adesivas

A necessidade de utilizar métodos de ligação entre componentes de forma mais rápida, eficaz e com melhores resultados, tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. A utilização das juntas adesivas tem vindo a aumentar em diversas aplicações industriais por estas apresentarem vantagens das quais se destacam a redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico. No entanto, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas e o descentramento da carga aplicada que provoca efeitos de flexão, os quais dão origem a tensões normais na direcção da espessura do adesivo (tensões de arrancamento), afectando assim a resistência da junta. A combinação da ligação adesiva com a soldadura por pontos permite algumas vantagens em comparação com as juntas adesivas tradicionais como a maior resistência, aumento da rigidez, melhor resistência ao corte e arrancamento e também à fadiga. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas de sobreposição simples adesivas e híbridas (adesivas-soldadas). Os adesivos utilizados são o Araldite AV138®, apresentado como sendo frágil, e os adesivos Araldite 2015® e Sikaforce® 7752, intitulados como adesivos dúcteis. Foram considerados substratos de aço (C45E) em juntas com diferentes comprimentos de sobreposição ( ), que foram sujeitas a esforços de tracção. Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efectuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos por Elementos Finitos (EF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por Modelos de Dano Coesivo (MDC). A análise por MDC permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas com bastante precisão, com excepção das juntas coladas com o adesivo Sikaforce® 7752. Estes resultados permitiram validar a técnica de modelação proposta para as juntas coladas e híbridas, o que representa uma base para posterior aplicação desta técnica em projecto, com as vantagens decorrentes da redução do tempo de projecto e maior facilidade de optimização.

Ligação Adesiva de Polímeros Particularmente Difíceis de Colar

As ligações adesivas têm sido cada vez mais utilizadas nos últimos anos em detrimento de outros métodos tais como a soldadura, ligações aparafusadas e ligações rebitadas. Os plásticos de Engenharia têm um papel cada vez mais preponderante na indústria, devido às suas excelentes propriedades. Neste trabalho foram considerados três polímeros diferentes, o Policloreto de Vinilo (PVC) e o Polipropileno (PP) dado o seu baixo custo e peso e a superfície quimicamente inerte e o Politetrafluoretileno (PTFE) devido às suas boas propriedades químicas e excelentes propriedades de deslizamento. No entanto, estes materiais possuem uma baixa energia de superfície e, por isso, são muito difíceis de colar com mais relevância para o PTFE. Assim, após um estudo preliminar foi escolhido, para realizar as colagens necessárias, um adesivo da Tamarron Technology “Tam Tech Adhesive”, próprio para este tipo de substratos difíceis de colar. Posteriormente foi efetuada a sua caraterização através de ensaios de provetes maciços à tração. O principal objetivo deste trabalho foi estudar juntas de sobreposição simples de materiais poliméricos difíceis de colar tais como o PTFE, PP e PVC com recurso a um adesivo que não necessitasse de preparação de superfície. Foram fabricadas juntas de sobreposição simples (JSS) segundo os métodos Lap Shear (LS) e Block Shear (BS) dos três materiais referidos anteriormente e realizados os respetivos ensaios para avaliar o comportamento mecânico das ligações adesivas. Os materiais utilizados como substratos foram também submetidos a ensaios de tração com a finalidade de obter o módulo de elasticidade e as suas propriedades de resistência. Os substratos envolvidos nas juntas adesivas não sofreram qualquer preparação especial das superfícies. Na maioria dos casos consistiu apenas numa limpeza das superfícies com álcool etílico. Contudo, para o PTFE também se experimentou a preparação por abrasão com lixa e por chama. Foi também efetuado um trabalho de simulação numérica por elementos finitos utilizando um modelo de dano coesivo triangular. As resistências ao corte obtidas são superiores em BS comparativamente a LS, exceção feita aos substratos de PTFE aonde os resultados são similares. O tratamento por chama melhorou a resistência mecânica das juntas. Verificou-se também que o modelo numérico simulou adequadamente o comportamento das juntas principalmente das LS.

Sistema de mapeamento e localização simultânea para inspecção subaquática

A sequente dissertação resulta do desenvolvimento de um sistema de navegação subaquático para um Remotely Operated Vehicle (ROV). A abordagem proposta consiste de um algoritmo em tempo real baseado no método de Mapeamento e Localização Simultâneo (SLAM) a partir de marcadores em ambientes marinhos não estruturados. SLAM introduz dois principais desafios: (i) reconhecimento dos marcadores provenientes dos dados raw do sensor, (ii) associação de dados. Na detecção dos marcadores foram aplicadas técnicas de visão artificial baseadas na extracção de pontos e linhas. Para testar o uso de features no visual SLAM em tempo real nas operações de inspecção subaquáticas foi desenvolvida uma plataforma modicada do RT-SLAM que integra a abordagem EKF SLAM. A plataforma é integrada em ROS framework e permite estimar a trajetória 3D em tempo real do ROV VideoRay Pro 3E até 30 fps. O sistema de navegação subaquático foi caracterizado num tanque instalado no Laboratório de Sistemas Autónomos através de um sistema stereo visual de ground truth. Os resultados obtidos permitem validar o sistema de navegação proposto para veículos subaquáticos. A trajetória adquirida pelo VideoRay em ambiente controlado é validada pelo sistema de ground truth. Dados para ambientes não estruturados, como um gasoduto, foram adquiridos e obtida respectiva trajetória realizada pelo robô. Os dados apresentados comprovam uma boa precisão e exatidão para a estimativa da posição.

Manobras de condução assistida para veículos submarinos subactuados

A intervenção humana no manuseamento de veículos submarinos operados remotamente (ROVs) é um requisito necessário para garantir o sucesso da missão e a integridade do equipamento. Contudo, a sua teleoperação não é fácil, pelo que a condução assistida destes veículos torna-se relevante. Esta dissertação propõe uma solução para este problema para ROVs de 3DOF (surge, heave e yaw). São propostas duas abordagens distintas – numa primeira propõe-se um sistema de controlo Image Based Visual Servoing (IBVS) tendo em vista a utilização exclusiva de uma câmara (sensor existente neste tipo de sistemas) por forma a melhorar significativamente a teleoperação de um pequeno ROV; na segunda, propõe-se um sistema de controlo cinemático para o plano horizontal do veículo e um algoritmo de uma manobra capaz de dotar o ROV de movimento lateral através de uma trajectória dente-de-serra. Demonstrou-se em cenários de operação real que o sistema proposto na primeira abordagem permite ao operador de um ROV com 3DOF executar tarefas de alguma complexidade (estabilização) apenas através de comandos de alto nível, melhorando assim drasticamente a teleoperação e qualidade de inspecção do veículo em questão. Foi também desenvolvido um simulador do ROV em MATLAB para validação e avaliação das manobras, onde o sistema proposto na segunda abordagem foi validado com sucesso.

Estudo de reparações adesivas pela técnica de remendo embebido com reforços exteriores para aumento da resistência

As ligações adesivas têm sido utilizadas em áreas como a indústria aeroespacial, aeronáutica, de defesa, automóvel, da construção civil e das madeiras. As juntas adesivas têm vindo a substituir métodos como a soldadura, e ligações parafusadas e rebitadas, devido à facilidade de fabricação, maiores cadências de produção, menores custos, facilidade em unir materiais diferentes, melhor resistência à fadiga, entre outras razões. Como tal, também se utilizam reparações adesivas para restituição da resistência de estruturas danificadas, cujas técnicas mais comuns são a sobreposição simples, sobreposição dupla e remendo embebido. As reparações por remendo embebido, que são as mais eficientes, consistem na realização de um furo cónico na zona danificada e colagem de um remendo com a forma complementar do furo, de tal forma que não é alterada a forma inicial do componente. Neste trabalho pretende-se estudar experimental e numericamente reparações adesivas por remendo embebido, nomeadamente o efeito da utilização de reforços exteriores (em um ou nos dois lados da estrutura), para diferentes ângulos de inclinação. Foi considerado um adesivo dúctil (Araldite® 2015) e outro frágil (Araldite® AV138), o que permitiu abranger processos de rotura bastante distintos. O estudo experimental é acompanhado por outro numérico no software ABAQUS®, usando modelos coesivos para a previsão numérica da resistência das reparações. O trabalho numérico permitiu o estudo das distribuições de tensões, o que possibilitou a análise detalhada dos resultados obtidos. Foi também realizado um estudo numérico de otimização das reparações por alteração da espessura dos reforços e utilização de chanfro nas extremidades dos mesmos. Nos resultados obtidos, constatou-se a adequabilidade do método numérico na previsão fiável da resistência, e também que a utilização dos reforços aumenta consideravelmente o rendimento das reparações (até 530 % e 340 % para os adesivos Araldite® 2015 e AV138, respetivamente), o que poderá justificar a sua utilização em aplicações industriais em que a perturbação aerodinâmica causada por esta alteração não seja relevante.

Autonomous bathymetry for risk assessment with ROAZ robotic surface vehicle

The use of unmanned marine robotic vehicles in bathymetric surveys is discussed. This paper presents recent results in autonomous bathymetric missions with the ROAZ autonomous surface vehicle. In particular, robotic surface vehicles such as ROAZ provide an efficient tool in risk assessment for shallow water environments and water land interface zones as the near surf zone in marine coast. ROAZ is an ocean capable catamaran for distinct oceanographic missions, and with the goal to fill the gap were other hydrographic surveys vehicles/systems are not compiled to operate, like very shallow water rivers and marine coastline surf zones. Therefore, the use of robotic systems for risk assessment is validated through several missions performed either in river scenario (in a very shallow water conditions) and in marine coastlines.

ROAZ Autonomous Surface Vehicle Design and Implementation

The design of an Autonomous Surface Vehicle for operation in river and estuarine scenarios is presented. Multiple operations with autonomous underwater vehicles and support to AUV missions are one of the main design goals in the ROAZ system. The mechanical design issues are discussed. Hardware, software and implementation status are described along with the control and navigation system architecture. Some preliminary test results concerning a custom developed thruster are presented along with hydrodynamic drag calculations by the use of computer fluid dynamic methods.

Swordfish: an Autonomous Surface Vehicle for Network Centric Operations

The design and development of the swordfish autonomous surface vehicle (ASV) system is discussed. Swordfish is an ocean capable 4.5 m long catamaran designed for network centric operations (with ocean and air going vehicles and human operators). In the basic configuration, Swordfish is both a survey vehicle and a communications node with gateways for broadband, Wi-Fi and GSM transports and underwater acoustic modems. In another configuration, Swordfish mounts a docking station for the autonomous underwater vehicle Isurus from Porto University. Swordfish has an advanced control architecture for multi-vehicle operations with mixed initiative interactions (human operators are allowed to interact with the control loops).

Autonomous Surface Vehicle Docking Manoeuvre with Visual Information

This work presents a hybrid coordinated manoeuvre for docking an autonomous surface vehicle with an autonomous underwater vehicle. The control manoeuvre uses visual information to estimate the AUV relative position and attitude in relation to the ASV and steers the ASV in order to dock with the AUV. The AUV is assumed to be at surface with only a small fraction of its volume visible. The system implemented in the autonomous surface vehicle ROAZ, developed by LSA-ISEP to perform missions in river environment, test autonomous AUV docking capabilities and multiple AUV/ASV coordinated missions is presented. Information from a low cost embedded robotics vision system (LSAVision), along with inertial navigation sensors is fused in an extended Kalman filter and used to determine AUV relative position and orientation to the surface vehicle The real time vision processing system is described and results are presented in operational scenario.

Marine Operations with the SWORDFISH Autonomous Surface Vehicle

IEEE Robótica 2007 - 7th Conference on Mobile Robots and Competitions, Paderne, Portugal 2007

An automated maneuver control framework for a remotely operated vehicle

OCEANS, 2001. MTS/IEEE Conference and Exhibition (Volume:2 )

A control framework for a remotely operated vehicle

A control framework enabling the automated maneuvering of a Remotely Operate Vehicle (ROV) is presented. The control architecture is structured according to the principle of composition of vehicle motions from a minimal set of elemental maneuvers that are designed and verified independently. The principled approach is based on distributed hybrid systems techniques, and spans integrated design, simulation and implementation as the same model is used throughout. Hybrid systems control techniques are used to synthesize the elemental maneuvers and to design protocols, which coordinate the execution of elemental maneuvers within a complex maneuver. This work is part of the Inspection of Underwater Structures (IES) project whose main objective is the implementation of a ROV-based system for the inspection of underwater structures.

Coordinated Maneuver for Gradient Search Using Multiple AUV's

OCEANS 2003. Proceedings (Volume:1 )