DESENVOLVIMENTO DE SIMULADORES DE MOVIMENTO … · resistência e facilidade de se fixar um ao...

Engenharia de Controle e Automação

DESENVOLVIMENTO DE SIMULADORES DE MOVIMENTO

PARA ANÁLISE E VISUALIZAÇÃO DA DINÂMICA DE VEÍCULOS

Aluna: Ingrid Moura Obeid Orientador: Mauro Speranza Neto

1. Introdução

O projeto baseia-se no desenvolvimento de um simulador de movimento com

três graus de liberdade (roll, pitch e yaw). Este projeto surgiu em 2010 com o intuito de

motivar mais alunos para a habilitação em Engenharia de Controle e Automação, mas

que por sua vez possui grande interseção com a Engenharia Mecânica. Foram

construídos dois Simuladores desde o início do projeto. O simulador, apesar de não

incluir todos os movimentos de um veículo real, emprega os mesmos conceitos básicos

e dispositivos dos equivalentes com os seis graus de liberdade, com limitacoes, porém

com amplitude suficiente de modo a possibilitar as principais sensacoes associadas ao

veiculo.

2. Objetivo

O objetivo do projeto é desenvolver a partir da integração dos componentes

eletromecânicos e/ou pneumático-mecânicos um simulador para ser empregado em

testes e demonstrações no Laboratório de Controle e Automação. Um ramo na indústria,

especificamente a relacionada com os veículos terrestres, tem sido na atualidade foco de

grandes desenvolvimentos e estudos com diversos fins, quer seja para fornecer veículos

de corridas muito velozes e softificados, ou para brindar ao usuário de todos os dias

com conforto e segurança no ato de conduzir ou ainda para permitir o transporte de

mercadorias e outros bens que necessitam ser movimentados de um lugar para a outro.

Este foi outro motivo pelo qual decidimos desenvolver este projeto. Os

simuladores são sistemas mecatrônicos que produzem as principais atitudes e


movimentos de um veículo, comandado pelos mesmos elementos do sistema real, ou

seja, conseguem reproduzir em laboratório as imperfeições das estradas pelas quais

circulam diariamente os veículos, para desta maneira testá-los em condições

semelhantes às encontradas em uma estrada real. As estruturas são acionadas por

atuadores elétricos e controladas eletronicamente através de 3 servossistemas, sobre as

quais são montadas as cabines, fuselagem, ou carroceria dos veículos, que passam a

possuir os mesmos movimentos de um veículo real, sem riscos ou temor de acidentes,

pois seus movimentos são limitados mecanicamente. Os mecanismos com diversos

graus de liberdade são capazes de reproduzir os ângulos de atitude – rolagem, arfagem e

guinada (respectivamente roll, pitch e yaw), como pode ser visto na Figura 1 e os

deslocamentos lineares – lateral, vertical e longitudinal, com limitações, porém com

amplitude suficiente de modo a possibilitar as principais características do veículo real

em condições normais de operação, e até em algumas situações consideradas de risco,

como a perda de sustentação em aeronaves, ou o início da capotagem em veículos

terrestres.

Figura 1 – Graus de liberdade.


3. Metodologia

Inicialmente foram estudados simuladores já desenvolvidos. Foram analisados

diversos tipos de sistemas para a movimentação do simulador, como por exemplo

atuadores, motores no eixo ou motores com atuação indireta a partir de correias. Após

esse processo foi desenvolvida um concepção inicial em SolidWorks, que além disso

simulou a estrutura em diversas situações, mostrando sua capacidade de movimentação.

Adotou-se o sistema com motores atuando diretamente no eixo. Foi construído um

primeiro simulador, em que sua estrutura era composta por tubos circulares de alumínio

e conexões de PVC rigido, que apresentavam grandes folgas e flexões por conta da

incompatibilidade das conexões com os tubos e da pouca rigidez dos tubos de alumínio.

Este Simulador mostrou que apesar das folgas o conceito da estrutura é boa, o que fez o

segundo simulador ter o mesmo esqueleto de estrutura.

Com isso foi desenvolvido um segundo simulador que apresentava uma maior

rigidez em sua estrutura, agora composta por perfis de alumínio da Bosch. (Figura 2)

Este perfil Bosch é muito utilizado em indústrias como estrutura, pois apresenta alta

resistência e facilidade de se fixar um ao outro. Sua movimentação é feita, como no

primeiro simulador, por motores aplicados diretamente no eixo. As conexões de 90

graus são reforçadas com cantoneiras fornecidas também pela Bosch. As conexões

angulares na estrutura do movimento de pitch foi reforçada com placas de alumínio. As

Figuras 3 a 6 ilustram o segundo simulador completo e suas estruturas em um programa

chamado solidworks, muito utilizado para modelar peças .

Figura 2 – Perfil Bosch


Figura 3 – Simulador completo.

Figura 4 – Estrutura de movimento do Picht.

Figura 5 – Estrutura de movimento do Roll.


Figura 6 – Estrutura de movimento do yaw.

Após as estruturas modeladas, e os dois graus de liberdade (roll, pitch), já

montados no laboratório, como mostra a Figura 7, foram feitos testes de torque com o

motor magnético brushless, com potências entre 700W e 1750W de altíssima

eficiência energética 97,6% - Mínima perda por atrito ou aquecimento, estes foram

feitos em uma bancada de teste, como pode ser visto na Figura 8. Primeiramente

acoplamos o motor à célula de carga e a leitura do torque foi feita a partir de um

indicador de pesagem WE2107, cujo sinal de leitura é emitido em kg. Para ser feito essa

leitura foi dividido em dois sentido, positivo e negativo e dentro de cada um desses foi

separado em três níveis, que significam até que porcentagem pode-se chegar. Como

mostra a Tabelas 1.1 e 1.2.


Figura 7 – Simulador montado no laboratório.

Figura 8 – Bancada de Teste.

Para que se tenha uma melhor precisão foi feito um estudo das curvas de

calibração usando dois torquimetros (Draper 3000 e Gedore R100 n/s:4929). Estas

foram montadas com a média da leitura do indicador de pesagem WE2107 e os valores

do torque aplicado, como pode ser visto nas Tabelas 2.1 e 2.2 e no Gráfico 1.1 e 1.2.

Com as curvas esboçadas foram calculados as médias, os desvios padrões e as

incertezas para os dois torquimetros. Com os valores obtidos pode-se perceber que o

melhor torquimetro a ser usado é o Gedore R100 n/s:4929. Os dados estão nas Tabelas

3.1 e 3.2.

Feito o estudo do melhor torquimetro a ser utilizado, pode-se assim equacionar a

equação da curva de calibração do torquimetro (Gedore R100 n/s:4929), como pode ser

vista também nos Gráficos 1.1 e 1.2. Com a equação y = 0,126x - 0,0966 obtida pode-se

calcular o f(máx) e o f(0) para cada sentido e níveis preestabelecidos pela Tabela 1.1 e

1.2. Esses resultados podem ser vistos nas Tabelas 3.1 e 3.2. Mas para comparar com a

especificação dada pelo fabricante do máximo torque todos os resultados obtidos foram

passados de N.m para kg.cm. O máximo torque obtido com os teste foi 129.46 kg*cm e

o máximo torque obtido pelo fabricante é 42 kg.cm. Com o motor devidamente

escolhido e testado, pode-se constatar um torque de pico, já que o torque encontrado é

bem maior do que o dado pelo fabricante.


Tabela 1.2 – Os níveis e sentido.

Gráfico 1.1 – Draper 300.

Sentido 2 f(max) x f(0) x

Nível 1 30%

‐50 ‐0,8 ‐68 ‐0,6 86 0,6

Nível 2 60%

‐96 0,2 ‐80 ‐0,3 ‐79 ‐0,2

Nível 3 90%

‐100 0,1 ‐80 ‐0,2 ‐79 ‐0,3

Sentido 1 f(max) x f(0) x

Nível 1 30%

50 0 60 0 54 9

Nível 2 60%

65 0 62 1 71 0

Nível 3 90%

65 ‐11 47 ‐15 39 ‐27


Gráfico 1.2 – Gedore.

Tabela 2.1 – Valores dos Torques - Draper 300 Tabela 2.2 – Valores dos Torques - Gedore

Leituras no We (kg) Média (N.m) ‐100 ‐14,0 ‐90 ‐13,8 ‐80 ‐13,6 ‐70 ‐13,5 ‐60 ‐13,2 ‐50 ‐12,2 ‐40 ‐10,8 ‐30 ‐9,7 ‐20 ‐8,1 ‐10 ‐6,8 0 ‐5,9 0 ‐4,1 10 ‐0,1 20 0,5 30 0,9 40 2,9 50 3,3 60 4,5 70 5,6 80 6,6 90 7,0 100 7,6

Leituras no We (kg) Média (N.m) ‐100 ‐11,0 ‐90 ‐10,1 ‐80 ‐9,2 ‐70 ‐8,2 ‐60 ‐7,2 ‐50 ‐6,7 ‐40 ‐5,6 ‐30 ‐5,1 ‐20 ‐5,0 ‐10 ‐4,7 0 ‐3,9 0 ‐2,9 10 4,1 20 4,5 30 4,9 40 5,6 50 6,6 60 7,8 70 8,8 80 9,8 90 11,8 100 13,4


Tabela 3.1 – Dados completos da calibração - Draper 300.

Leituras no We (kg)

Leituras no Torquímetro

(lbf‐ft)

Média (lbf‐ft)

Média (N.m)

Média (N.cm)

Desvio Padrão (lbf‐ft)

Incerteza (lbf‐ft)

‐100 ‐10,3 ‐10,3 ‐10,3 ‐10,3 ‐14,0 ‐1396,5 0,00 0,01 ‐90 ‐10,2 ‐10,2 ‐10,2 ‐10,2 ‐13,8 ‐1382,9 0,00 0,01 ‐80 ‐10,0 ‐10,1 ‐10,1 ‐10,1 ‐13,6 ‐1364,9 0,06 0,01 ‐70 ‐9,9 ‐10,0 ‐10,0 ‐10,0 ‐13,5 ‐1351,3 0,06 0,01 ‐60 ‐9,8 ‐9,9 ‐9,5 ‐9,7 ‐13,2 ‐1319,7 0,21 0,05 ‐50 ‐9,5 ‐9,5 ‐8,0 ‐9,0 ‐12,2 ‐1220,2 0,87 0,76 ‐40 ‐9,0 ‐8,0 ‐7,0 ‐8,0 ‐10,8 ‐1084,7 1,00 1,01 ‐30 ‐8,0 ‐7,0 ‐6,5 ‐7,2 ‐9,7 ‐971,7 0,76 0,59 ‐20 ‐6,0 ‐6,0 ‐6,0 ‐6,0 ‐8,1 ‐813,5 0,00 0,01 ‐10 ‐5,0 ‐5,0 ‐5,0 ‐5,0 ‐6,8 ‐677,9 0,00 0,01 0 ‐5,0 ‐4,0 ‐4,0 ‐4,3 ‐5,9 ‐587,5 0,58 0,34 0 ‐3,0 ‐3,0 ‐3,0 ‐3,0 ‐4,1 ‐406,7 0,00 0,01 10 0,0 ‐0,1 ‐0,1 ‐0,1 ‐0,1 ‐9,0 0,06 0,01 20 1,0 0,0 0,0 0,3 0,5 45,2 0,58 0,34 30 2,0 0,0 0,1 0,7 0,9 94,9 1,13 1,28 40 3,0 1,5 2,0 2,2 2,9 293,8 0,76 0,59 50 3,0 2,0 2,2 2,4 3,3 325,4 0,53 0,28 60 4,0 3,2 2,7 3,3 4,5 447,4 0,66 0,44 70 4,5 4,0 4,0 4,2 5,6 564,9 0,29 0,09 80 5,0 4,5 5,0 4,8 6,6 655,3 0,29 0,09 90 5,5 4,8 5,2 5,2 7,0 700,5 0,35 0,13 100 6,0 5,0 5,9 5,6 7,6 763,8 0,55 0,31

Média da Incerteza

0,29


Tabela 3.2 – Dados completos da calibração - Gedore.

4. Conclusões

Com as estruturas de pitch e roll montadas foram iniciados os testes de validação e

integração com os elementos de controle. O motor escolhido teve comportamento

satisfatório, porém, para melhorar seu desempenho, está sendo estudado o uso de outro

controlador de velocidade. Além de poder trabalhar com maior potência, isto aprimorará

a capacidade de inversão do motor para execução dos movimentos da simulação. O

próximo passo será a montagem do ultimo grau de liberdade, o yaw.

Leituras no We (kg)

Leituras no Torquímetro

(kgf.m)

Média (kgf.m)

Média (N.m)

Média (N.cm)

Desvio Padrão (kgf.m)

Incerteza (kgf.m)

‐100 ‐1,0 ‐1,2 ‐1,2 ‐1,1 ‐11,0 ‐1095,1 0,10 0,0158 ‐90 ‐1,0 ‐1,1 ‐1,0 ‐1,0 ‐10,1 ‐1013,4 0,06 0,0083 ‐80 ‐0,9 ‐1,0 ‐0,9 ‐0,9 ‐9,2 ‐915,3 0,06 0,0083 ‐70 ‐0,8 ‐0,9 ‐0,8 ‐0,8 ‐8,2 ‐817,2 0,06 0,0083 ‐60 ‐0,7 ‐0,8 ‐0,7 ‐0,7 ‐7,2 ‐719,2 0,06 0,0083 ‐50 ‐0,7 ‐0,7 ‐0,7 ‐0,7 ‐6,7 ‐666,9 0,03 0,0057 ‐40 ‐0,5 ‐0,6 ‐0,6 ‐0,6 ‐5,6 ‐559,0 0,04 0,0063 ‐30 ‐0,5 ‐0,5 ‐0,5 ‐0,5 ‐5,1 ‐509,9 0,01 0,0051 ‐20 ‐0,5 ‐0,5 ‐0,5 ‐0,5 ‐5,0 ‐496,9 0,01 0,0050 ‐10 ‐0,5 ‐0,5 ‐0,5 ‐0,5 ‐4,7 ‐467,5 0,03 0,0056 0 ‐0,4 ‐0,4 ‐0,5 ‐0,4 ‐3,9 ‐392,3 0,05 0,0075 0 ‐0,3 ‐0,3 ‐0,3 ‐0,3 ‐2,9 ‐294,2 0,00 0,0050 10 0,4 0,5 0,4 0,4 4,1 408,6 0,03 0,0058 20 0,5 0,5 0,5 0,5 4,5 454,4 0,02 0,0055 30 0,5 0,5 0,5 0,5 4,9 490,3 0,00 0,0050 40 0,6 0,6 0,6 0,6 5,6 555,7 0,03 0,0058 50 0,7 0,7 0,7 0,7 6,6 660,3 0,03 0,0056 60 0,8 0,8 0,8 0,8 7,8 784,5 0,00 0,0050 70 0,9 0,9 0,9 0,9 8,8 882,6 0,00 0,0050 80 1,0 1,0 1,0 1,0 9,8 980,7 0,00 0,0050 90 1,2 1,2 1,2 1,2 11,8 1176,8 0,00 0,0050 100 1,4 1,3 1,4 1,4 13,4 1340,2 0,06 0,0083

Média da Incerteza

0,0066


Referências

1 - ALBUQUERQUE, A. N. Desenvolvimento de um simulador vertical com atuação pneumática. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Mecânica. Seminário de Iniciação Científica. Orientadores: SPERANZA NETO, M. Agosto de 2009.

2 - ALBUQUERQUE, A. N. Modelagem e simulação de uma plataforma de Stewart controlada usando sensores inerciais. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Mecânica. Dissertação de Mestrado. Orientador: MEGGIOLARO, M. A. Agosto de 2012.

3 – MOSER, J. N. Desenvolvimento de simuladores de movimento para análise e visualização da dinâmica de ve. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Mecânica. Seminário de Iniciação Científica. Orientadores: SPERANZA NETO, M. Agosto de 2012.

4 – https://en.wikipedia.org/wiki/Flight_dynamics, acessado em Julho de 2013.

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