Projeto Hydrus: veículo aquático para monitoramento da qualidade da água

Abstract

O objetivo principal do trabalho foi desenvolver um veículo aquático autônomo para monitoramento de recursos hídricos. O veículo foi projetado e construído com base em um modelo de catamarã pré-existente. Foi produzido um par de cascos de fibra de vidro, unidos por uma plataforma central. O hardware foi projetado baseando-se na utilização de componentes disponíveis no mercado, tendo o Raspberry Pi como plataforma computacional. O hardware inclui um módulo receptor GPS, magnetômetro, e conversor analógico-digital. Para a obtenção dos indicadores referentes à qualidade da água, foram agregados ao projeto sensores de pH, temperatura, e turbidez. As respostas características dos sensores em relação às grandezas de entrada foram enumeradas e o eletrodo de pH foi calibrado. O firmware do barco foi escrito na linguagem de programação C++, e sua principal característica arquitetural é a utilização do padrão Blackboard. O padrão consiste na manutenção de uma base de conhecimento comum, sobre a qual operam tarefas paralelas. Cada tarefa é especializada em algum aspecto da funcionalidade do sistema (por exemplo, tarefas de sensoreamento e navegação). As funcionalidades da plataforma de hardware são encapsuladas em classes específicas, que abstraem recursos como dispositivos, barramentos de entrada e saída, e recursos do sistema operacional. Em adição ao firmware do veículo, foi desenvolvido um software de comando, também em C++, para uso na estação-base. O software permite ao usuário monitorar o veículo, configurar rotas de navegação, e iniciar a sequência de navegação autônoma. O veículo foi testado, tanto em bancada quanto em uma situação de navegação real, e foi validada sua capacidade de navegar autonomamente, se comunicar com a estação-base, e coletar dados. Ao fim do trabalho, foram validadas as funcionalidades básicas do veículo, suas capacidades de coleta de dados, e de navegação. Concluiu-se que o trabalho atingiu seus objetivos, resultando na criação de um veículo funcional, sobre as plataformas de hardware e de software. Sugeriu-se como trabalhos futuros a aplicação da solução desenvolvida no monitoramento de um recurso hídrico real, e a melhora dos recursos de coleta e apresentação dos dados adquiridos.

The main objective of this work is to develop an autonomous aquatic vehicle for water resource monitoring. The vehicle was engineered and built using as a base a preexisting catamaran model. A pair or composite fiberglass hulls were produced, united by a central platform. The hardware was developed based on off-the-shelf parts, having as a computing platform the Raspberry Pi. The hardware includes a GPS receiver module, magnetometer, and analog-digital converter. For obtaining a set of data from the water, pH , turbidity and temperature sensors were added to the project. The firmware of the vehicle was developed in the C++ programming language, and its main architectural characteristic is the implementation of the Blackboard pattern. This software engineering pattern consists of a common knowledge base, over which independent task operate. Each tasks implements specific functionality of the system (e.g., sensing and navigation tasks). Hardware platform functionality is encapsulated in specific classes, that abstract resources such as devices, input and output buses, and operating system resources. In addition to the vehicle firmware, a command and control software was developed, also in C++, for usage in the base station. The software allows the user to monitor the vehicle, configure navigation routes, and initiate the autonomous navigation sequence. The vehicle was tested in the workbench, as well as in a real navigation scenario. Then its capacity to navigate autonomously is validated, as well as communicating with the base station, and collecting data. At the end of this paper, the basic functionalitry of the vehicle was validated, as well as its navigation and data collection capabilities. It was concluded that the work has reached its goals, resulting in the creation of a functional vehicle, built atop the hardware and software platforms. Were suggested as future works: the application of the developed solution in the monitoring of a real hydric resource, and improvements of the data collection and presentation facilities of the software.