Sensor de Posição Rotacional Pequeno

por **Emilio Eduardo** » 25 Mar 2013 11:43

Bom Dia Pessoal!

Alguém saberia me indicar algum sensor de posição em rotação pequeno? Pode ser potenciômetro, encoder ótico, qualquer coisa. As únicas necessidade são:

-Tem que caber num furo de 10mm de diâmetro ou menos(Quanto menor, melhor)
-Tem que ter pouco atrito pois a força que vai girá-lo é aerodinâmica

A utilização seria para medir ângulo de ataque de um avião. Funciona da seguinte maneira:

Isso é um tubo de pitot:
Imagem

Ele serve para medir a velocidade do avião em relação ao ar. Para isto ele usa conceito de pressão total.

O furo da frente é por onde se mede a pressão total (Pt), os furos laterais medem a pressão estática (Pe). A diferença entre as duas é a pressão dinâmica (Pd)

Matematicamente funciona da seguinte maneira:

Pt = Pd + Pe

Usando um sensor de pressão diferencial obtem-se a diferença entre as medidas:

Pd = Pt - Pe

Sabe-se que a pressão dinâmica relaciona-se com a velocidade do ar da seguinte maneira:

Pd = 0.5*densidade*velocidade^2

A partir daí se torna simples conseguir a velocidade.

O nosso problema agora se torna conseguir medir a posição do avião em relação ao ar. Para isso decidimos abordar o problema transformando o tubo de pitot em um "foguetinho" que ficaria mais adiante da asa (Para fugir das perturbações no fluxo criadas pela asa) fixo a uma junta universal que o deixa girar em torno de dois eixos. Esse foguetinho possui aletas para fazê-lo estabilizar paralelo ao fluxo. E a partir do ângulo do foguete conseguiríamos saber o ângulo do fluxo de ar.

Tudo isso nós sabemos fazer (Estudamos Eng. Aeronáutica). O problema é conseguir um sensor pequeno o suficiente para não influenciar no comportamento aerodinâmico do foguete e também com pouco atrito pois quanto mais atrito maior o foguete precisa ser para ter força suficiente.

A questão também é que o avião é pequeno (1.5m de envergadura) e por isso o foguete não pode ser muito grande.

Já encontrei alguns potenciômetros mas eles ainda são muito grandes. Está difícil encontrar alguma coisa realmente viável. O ângulo não passa de 20graus, ou seja, qualquer coisa com mais de 90graus de giro é completamente desnecessária.

Valeu pessoal!

Abraços

Edit: Correção do título

por **xultz** » 25 Mar 2013 12:52

Cara, desculpa a ignorância, mas eu não entendi o que você quer dizer com "medir a posição do avião em relação ao ar". Não é suficiente medir a inclinação do avião em relação ao horizonte com um uma acelerômetro?
Se puder, faz um desenho do que você quer medir, talvez fique mais fácil ajudar.

por **marcelo_asm** » 25 Mar 2013 13:53

também pensei imediatamente num acelerômetro.

por **Emilio Eduardo** » 25 Mar 2013 14:37

O pior é que não, isso a gente já tem, inclusive só com um acelerômetro não dá para obter a atitude pois o próprio avião tem acelerações.
A técnica que desenvolvemos foi um sistema com giroscópio + acelerômetro + magnetômetro que utiliza quaternions e SLERP com um filtro PID. Ele utiliza rotações dos giroscópios em todas as frequências e é corrigido lentamente pela leitura do acelerômetro + magnetômetro por meio da rotação mais curta entre as a estimativa dos giros e a dos acelerômetros. No final funcionou melhor do que um filtro de Kalman. O paper está saindo, assim que ficar pronto posto aqui no fórum para vocês verem direitinho como funciona.

O que precisamos é do ângulo em relação à massa de ar. Ele não é mesma coisa que o ângulo de atitude pois o avião pode estar subindo/descendo ou fazendo curvas. Outra coisa é que o avião não voa paralelo ao vento relativo. Além disso, o vento não é necessariamente paralelo ao horizonte. Isso é meio difícil de mostrar sem estar ao vivo.

Nesse site dá para entender a diferença entre esses ângulos:
http://www.avioesemusicas.com/entenda-sobre-angulo-de-ataque-pitch-incidencia-af447.html
Imagem

O que se mede com um conjunto inercial é a atitude do avião, o ângulo de ataque e o ângulo de escorregamento lateral (sideslip) não podem ser medidos com esse conjunto.

Quis evitar os nomes exatos pro pessoal entender, talvez isso tenha mais complicado do que ajudado.

Não consegui encontrar um desenho para o que queremos fazer, então vou tentar explicar melhor.

Precisamos medir os ângulos entre o sistema de coordenadas preso ao avião (X em direção ao "bico" do avião, Y em direção à asa direita e Z para a "barriga" do avião) e o vetor vento relativo (ângulo de ataque = alfa, ângulo de escorregamento lateral = beta). Para isso vamos colocar algo como um dardo preso à uma haste que está fixa no avião. O dardo tem liberdade de girar em torno de dois eixos, o Y e o Z do avião. Como o dardo tem a tendência de se alinhar ao fluxo de ar (Os esforços aerodinâmicos resultantes estão localizados atrás do ponto de fixação e portanto são sempre no sentido de zerar este desalinhamento) podemos então medir o ângulo entre o dardo e o avião para descobrirmos o que precisamos.

Para entender melhor a parte do dardo ficar paralelo ao fluxo tem este livro: http://www.amazon.com/Dynamics-Flight-Stability-Bernard-Etkin/dp/0471034185 que explica direitinho como tudo funciona, basta visualizar o dardo como um "aviãozinho".

O problema é que se o "suporte" do dardo for muito grande ele vai influenciar o fluxo de ar por ali, gerando erros na medição. Por isso preciso de um sensor pequeno para medir esses ângulos.

Valeu pessoal!
Abraços

por **KrafT** » 25 Mar 2013 14:56

Você poderia colocar um acelerômetro no "dardo" e comparar com um acelerômetro de referência do avião. O complicado seria levar os sinais pela junta mecânica móvel. Se é que é tão móvel assim...

por **Emilio Eduardo** » 25 Mar 2013 16:57

Não serve só o acelerômetro kraft, o avião (e consequentemente o foguete) pode estar sujeito a acelerações além da gravidade, em várias direções.

O sistema serve para identificar o modelo dinâmico do avião, para depois um sistema de controle ser afinado usando esses dados. Por isso é necessária precisão, pois um erro de medição geraria um problema na identificação do sistema que inviabilizaria uma afinação boa.

O erro dos giroscópios acumula, impossibilitando uma medida precisa. Mesmo depois da correção usando magnetômetro e acelerômetro esse erro permanece maior do que 1 grau para o avião e para o foguete, ou seja, o erro seria de 2 graus na medição (Mesmo usando giros muito bons,da casa de R$1500). Isso é muito, visto que o comportamento do avião tem uma derivada muito ingrime em relação ao alfa.

Além disso, seria muito difícil um acelerômetro e um giroscópio numa estrutura tão pequena. Mesmo que eles sejam minúsculos nós não temos tecnologia suficiente no laboratório para soldar esse tipo de componente.

Já pesquisamos outras opções, como montar um tubo de pitot com várias entradas em torno de um cone. A medida que cada furo se alinha melhor ao fluxo a pressão dinâmica nele aumenta. Mas aí o problema é que os sensores de pressão diferencial com precisão suficiente para essa abordagem são muito caros(>R$200 x 4) e o orçamento tá meio apertado.

Valeu pela contribuição!

por **xultz** » 25 Mar 2013 16:58

Kraft, até onde pude entender, o acelerômetro só funciona se o avião estiver perfeitamente constante (ou seja, com velocidade constante nos três eixos, o que quer dizer que ele produz aceleração zero). Porém, a turbulência faz ele acelerar de todo jeito prá todo lado, então deve ficar F*** de achar a gravidade no meio desse monte de sinal, prá medir o ângulo de qualquer coisa. Em teoria, se puser um acelerômetro na fuselagem como referência, e outro no dardo, e subtrair um do outro, daria o sinal que se quer, mas na prática, deve ser F*** do mesmo jeito.
Tem um um jeito de medir linearmente, aí vai depender do capricho mecânico do treco. Imagine uma bobina comprida, enrolada num tubinho de plástico. Dentro desse tudo, você pode colocar ou retirar um núcleo metálico, cilíndrico. A imagem e meio erótica, mas é isso mesmo. A indutância vai variar diretamente com a inserção desse núcleo ali dentro. Se usar este indutor como elemento de um oscilador, a frequência de resposta será diretamente proporcional à posição qe o núcleo foi inserido. Isso é bastante usado na indústria com sensor de posição linear.
Aí tem que usar a imaginação sobre como transformar o movimento circular do dardo num movimento linear de um núcleo, e que deve correr sem atrito dentro de uma bobina. Mas não é nada impossível.

por **MOR_AL** » 25 Mar 2013 17:08

Só divagando...
1 - Seu sistema sensor seria ótimo se não possuísse partes móveis, ou o mínimo possível, certo?
2 - Acelerômetros não são lá muito baratos e teria que considerar as acelerações do próprio avião. Acho até que teria que considerar a aceleração de Coriolis (é isso?). Isso torma o cálculo um pouco complicado. Apropriado para um aluno de engenharia do segundo ano (Mecânica Racional 2), ou para um engenheiro mecânico (acho).
Sugestão baseada nas duas observações:
Será que uma célula de carga por eixo não poderia ser útil?
A tal célula de carga teria uma tira metálica ou a "bunda" de uma seta, que transferiria uma força para ela.
Como são poucos graus de variação, você poderia montar uma tabela ângulo de inclinação x força. Medindo a força, você teria o ângulo.
Teria que saber a velocidade relativa da aeronave para "compensar" os valores da tabela, pois ela influenciaria na força sobre a célula.
Lí rápido e posso estar comentando bobagem. Você vai querer aproveitar e alterar algum sensor (pitot) existente na aeronave? Se sim, não altere.
Em tempo:
Poderia também fazer um sistema ótico (encoder), a tal setinha, fixa por um eixo em sua ponta, e um plano com furos, leds e fotodetetores. Para aumentar a precisão, poderiam ter duas faces perfuradas. Uma fixa na aeronave e outra na setinha.
MOR_AL

por **KrafT** » 25 Mar 2013 17:15

Por isso sugeri dois acelerômetros. Um fixo no avião como referencia.

"Acho" que se aplicar Kalman em ambos dá para tratar as diferenças. Mas sei lá, sou só um palpiteiro.

por **Emilio Eduardo** » 25 Mar 2013 17:30

Oi pessoal,

Agora acho que vocês entenderam a situação. Acreditem em mim, acelerômetro não dá, com toda a certeza. O problema não é tão simples pois a estrutura do avião é flexível e vibra pra caramba (Já estudamos isso pois existe uma coisa chamada aeroelasticidade que leva em conta os efeitos aerodinâmicos das deformações na estrutura do avião).

A questão não é calcular as acelerações no avião, a questão é estimar perturbações no sistema. Existem situações onde o avião pode estar fazendo curva e por isso estar girando ou pode estar mudando de atitude e por isso estar girando. Outra situação é um vento lateral, como é possível saber quando o vento veio e quanto de perturbação ele gerou para retirar essa componente do valor medido?

A questão da bobina, achei muito legal a ideia. Já tinha visto isso em "apalpadores", se chama LVDT:
http://pt.wikipedia.org/wiki/LVDT

Dá muita precisão mesmo. É uma boa possibilidade, vou estudar a viabilidade dessa abordagem. Um dos "problemas" seria fazer a bobina, mas acho que dá pra fazer em torno de um tubinho de caneta ou um cilindro de vela e depois desenformar. Você faz ideia de mais ou menos quantas voltas seriam necessárias para funcionar?

Sobre a célula de carga, existem células suficientemente pequenas e leves? Todas as que vi até hoje era razoavelmente grandes e pesadas!

Muito obrigado pela ajuda,
Emilio Eduardo

por **RobL** » 25 Mar 2013 19:45

Certamente o atrito estático do núcleo dessa bobina pode atrapalhar, fazendo o núcleo dar pequenos saltos para romper o atrito estático. Há uma solução para isso, fazer com núcleo magnético. Aplicar uma corrente constante fará o núcleo flutuar, sem encostar nas paredes da bobina. A indutância varia com o sinal alternado sobreposto ao contínuo.
Se colocar um material magnético, em um dos extremos, pode-se ainda criar uma "mola magnética" nada linear.
Veja Reitz Milford Foundations of Eletromagnetic Theory second edition pg 238.

Pode ainda, quando variar a pressão, uma corrente é variada para trazer o núcleo para a posição inicial. A corrente que fez o núcleo voltar à posição inicial, é proprocional a pressão ( não linear). Neste caso não é necessário o uso de corrente alternada ou medir indutância.

Não dá para trazer essa pressão, do ponto de interesse, através de um tubo, bem flexível fino, até um ponto que caiba um sensor de pressão linear prontinho, etc?

por **Red Neck Guy** » 25 Mar 2013 21:20

Pelo que entendi, o treco é composto de um eixo móvel certo?
Se for, tipo o eixo poderia fazer parte de um sistema de LVDT aí até ficaria fácil. Esse tipo de sensor é bastante utilizado em bombas de sistemas commom-rail para medir a posição da borboleta...

por **Emilio Eduardo** » 26 Mar 2013 11:31

Isso, o sistema é composto por eixos móveis onde eu preciso medir a posição angular.

Pelo visto o mais viável seria uma dessas bobinas mesmo. Um atrito dessa proporção não seria um problema muito grande, o mais difícil eu acho que é enrolar a bobina com um mínimo de precisão (é claro que depois vai ser necessário calibrar o sistema) e fazer o sistema que transforme o movimento de rotação em linear. Tudo isso em tão pouco espaço. Estou pensando em ir atrás de alguém que mexa com pequenos mecanismos, deve ter alguém que faça isso aqui na universidade e possa nos dar uma luz de como fazer o sistema se tornar confiável.

Vou procurar o livro indicado e dar uma boa lida para saber qual o tamanho e como fazer a bobina.

Por acaso não existe solução comercial para isso? Dentro de um encapsulamento que eu possa conectar diretamente a um eixo?

Valeu pela ajuda, pessoal!

por **xultz** » 26 Mar 2013 12:50

Tem uma outra solução que pode ser mais simples, usando uma chave ótica. Já vi uma aplicação semelhante e funcionava certinho.
A ideia é usar uma chave ótica como esta abaixo, e coloca o fototransistor numa região linear (isso pode ser obtido usando um resistor de pull up de valor relativamente alto, o ideal é colocar um trimpot multivolta e achar este ponto):
Imagem

E faz uma peça que tenha uma janela de tamanho variável. Prá ilustrar, fiz a peça abaixo, mas dá prá fazer de muitas maneiras diferentes. Na verdade, um disco fora de centro já é suficiente, mas eu fiz a peça deste jeito prá ficar mais simples de entender a ideia:
Imagem