Monitoramento estrutural de obras civis utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo – Arranjos experimentais e resultados

Por Fabio Ioveni Lavandoscki, Diego Lapolli Bressan, Lucas P. G. Fernandes, Douglas Bellomo Cavalcante, Icaro Gonçales e Henrique Frank W. Puhlmann

Introdução

 

Segundo DESHMUKH (2011) [1], atualmente é comum o uso de microcontroladores no controle de vários processos. Um microcontrolador é um sistema microprocessador encapsulado em um único chip, com memórias, clock e periféricos mais limitados que um computador. O uso desses circuitos integrados não somente reduz custo da automação como também propicia mais flexibilidade. Dentre as plataformas de desenvolvimento que utilizam microcontroladores, o Arduino tem ganhado um grande destaque.

Arduino é uma plataforma de eletrônica, no formato de um módulo, dotada de vários recursos de interfaceamento (pinagem de entrada e saída) e um microcontrolador Atmel AVR. O Arduino é um projeto descendente da plataforma Wiring que foi concebida com o objetivo de tornar o uso de circuitos eletrônico mais acessível em projetos multidisciplinares (TAKAMIYA, 2013 [2]).

O ambiente Arduino foi desenvolvido pelos seus idealizadores para ser de fácil uso para iniciantes que não possuem experiência com desenvolvimento de software ou eletrônica (MARGOLIS, 2011 [3]).

 

Definição do Protótipo

 

Por se tratar de uma exploração de alternativas econômicas para o monitoramento contínuo da vibração e inclinação de estruturas, optou-se inicialmente pela utilização de uma plataforma Arduino de processamento para servir de base para o desenvolvimento dos programas de integração para os acelerômetros escolhidos e futura avaliação de desempenho em laboratório. Para esse trabalho foi selecionado o Arduino Leonardo, que incorpora o microcontrolador ATmega32u4.

O protótipo do sistema de medição procurou seguir a premissa de atender às necessidades de monitoramento estrutural quanto à vibração e à inclinação, com o menor custo possível. Esses parâmetros foram estabelecidos com base no histórico de monitoramento já realizado pelo IPT e com base nos limites dos instrumentos de medição já utilizados, sendo que:

  • o acelerômetro deve medir acelerações entre +/- 2 g com resolução de 0,001 g em faixas de frequência de até 20 Hz; e
  • o inclinômetro deve medir inclinações entre 0° e 30° com resolução de 0,01°.

Na sequência foi realizada uma pesquisa de acelerômetros, levando em consideração além dos requisitos já apresentados, outros critérios de seleção, tais como: saída digital, resolução, precisão, preço, disponibilidade de kit de avaliação e facilidade de compra desse kit no mercado local. Também foi incluído um acelerômetro da Analog Devices, mais preciso, porém mais caro e que foi selecionado como uma solução intermediária. Pode-se observar esses critérios na Tabela 1. Os resultados na tabela referem-se a uma pesquisa realizada em 2017.

Tabela 1 – Comparativo dos critérios de seleção (2017)

Após análise, foram selecionados os seguintes acelerômetros do tipo microeletromecânico (MEMS) que, dentro do escopo desse trabalho, melhor atendiam aos critérios de seleção:

  • O MPU-6050, da Invensense/TDK, que possui capacidade de medição de até +/ 16 g, conversor analógico-digital (A/D) de 16 bits (que permite uma resolução absoluta de 61 µg quando configurado para limite de +/- 2 g) e frequência de amostragem de até 1.000 Hz; e
  • O ADXL355, da Analog Devices, que mede até +/- 8 g, conversor A/D de 20 bits (resolução de 3,9 µg quando configurado para limite de +/- 2 g) e frequênciade amostragem de até 1.000 Hz.

O MPU-6050 possuiu especificações inferiores ao ADXL355, porém custa aproximadamente US$ 6,00, enquanto que o segundo custa em torno de US$ 30,00. Ambos são valores consideravelmente inferiores aos dos sensores utilizados atualmente pelo laboratório, que custam em torno de US$ 500,00.

 

Construção do protótipo

 

Os dois sensores selecionados possuem os conversores A/D incorporados em seus encapsulamentos, com capacidade de comunicação com o meio externo por meio do barramento I2C. Assim, fez-se necessário adicionar um microcontrolador com esse tipo de interface para coletar os dados medidos pelo sensor e disponibilizá-los para o microcomputador. Esse microcontrolador, o Arduino Leonardo, foi programado para configurar os acelerômetros, coletar os dados medidos e enviá-los ao computador por meio da porta USB. Também foi desenvolvido um shield (placa de ligação) para facilitar a conexão do Arduino aos acelerômetros.

As Figuras 1 e 2 ilustram os equipamentos utilizados na construção do protótipo.

Figura 1 – Arduino Leonardo e placa de ligação com os acelerômetros

Figura 2 – Acelerômetros MPU6050 e ADXL355z.

Um programa de computador (Figura 3) foi desenvolvido especialmente para a comunicação com o microcontrolador. Esse programa captura os dados enviados pelo hardware de medição e disponibiliza-os em um arquivo de texto, que pode ser analisado posteriormente em um software de análise matemática. Neste projeto, foi utilizado para esse fim o programa livre OCTAVE.

Figura 3 –  Interface do programa desenvolvido para captura e armazenamento dos dados.

Resumidamente, o sistema protótipo consiste de um computador pessoal, onde estão instalados os programas de desenvolvimento e captura de dados, um ARDUINO Leonardo, um shield e os módulos dos acelerômetros. Dessa forma, optou-se por utilizar a arquitetura de instrumentação apresentada na Figura 4.

Figura 4 – Arquitetura do protótipo de instrumentação.

Para maiores detalhes sobre o protótipo de instrumentação, leia o artigo técnico:

 

Testes com o protótipo

 

Os testes realizados basearam-se na ”ISO 16063-21: 2003 – Methods for the calibration of vibration and shock transducers – Part 21: Vibration calibration by comparison to a reference transducer“, comparando em laboratório o desempenho do protótipo desenvolvido com o desempenho de um sistema de precisão aferido. Foram definidos também dois testes distintos: um para verificar o desempenho com excitação senoidal e outro para medir inclinações.

Para os testes de excitação senoidal foi montado um arranjo com os seguintes instrumentos: um gerador de funções, um amplificador de potência, um shaker, um sistema de aquisição de dados, um sensor de deslocamento linear do tipo LVDT (Linear Variable Differential Transformer), um acelerômetro de referência (Silicon Designs – modelo 2210-002) e um computador pessoal com o software de aquisição de dados. O conceito do arranjo pode ser visto na Figura 5.

Figura 5 – Arranjo para testes de excitação senoidal.

Nesse arranjo, o acelerômetro de referência calibrado mede a aceleração provocada pelo movimento do shaker e o LVDT a amplitude do deslocamento da peça móvel, permitindo controlar a frequência de oscilação e a amplitude do deslocamento. Pode-se observar parte desse arranjo na Figura 6.

Figura 6 – Vista parcial do arranjo de testes.

Para os testes de inclinação foram utilizados os seguintes equipamentos: um dispositivo que permite inclinar manualmente uma superfície em apenas um eixo, numa faixa de ângulos entre 0º e 5º, um inclinômetro digital, um sistema de aquisição de dados e um computador pessoal para capturar e registrar os valores medidos, conforme pode ser visto na Figura 7 e o arranjo experimental pode ser observado na Figura 8.

Figura 7 – Arranjo para medir inclinações.

Figura 8 – Vista parcial do arranjo para medir inclinações.

Resultados e análises

 

Os testes de excitação senoidal foram realizados segundo os seguintes planos de testes:

  • Inicialmente os acelerômetros foram configurados de forma que os filtros digitais fossem bastante abertos e as taxas de amostragem compatíveis. Assim, no sistema de referência foi configurado um filtro passa-baixas de 200 Hz com taxa de amostragem de 300 Hz e no sistema em teste para 184 Hz com taxa de amostragem de 1 kHz. Foram testadas diversas amplitudes do sinal iniciando-se o teste com 2 Hz de excitação, seguindo para 3, 5, 7 e 10 Hz. As amplitudes de deslocamento do shaker foram setadas desde 0,5 mm até 2,8 mm conforme possível em cada frequência, de forma a não comprometer o sistema eletromecânico. A direção do teste foi selecionada para ser o eixo Z, na mesma direção da gravidade;
  • O segundo plano de teste envolveu manter a amplitude do deslocamento fixa em 1 mm, sendo que o filtro digital e a taxa de amostragem foram ajustados conforme a frequência do sinal senoidal de teste.

Os dados medidos nos ensaios foram inicialmente analisados pelo método gráfico, a fim de efetuar uma análise visual da resposta do protótipo. Dois exemplos dessa análise são reproduzidos a seguir, sendo que a componente contínua do sinal do MPU-6050 foi suprimida para facilitar a comparação.

A Figura 9 mostra a resposta de um dos testes executados no primeiro plano, especificamente do ensaio com ajustes no shaker para frequência de vibração de 2 Hz e amplitude de 1 mm. Observa-se que os sinais medidos tanto pelo acelerômetro do protótipo (MPU-6050) quanto pelo acelerômetro de referência (Silicon Designs 2210-002) responderam de forma praticamente igual. Como nesse plano os filtros estavam ajustados para frequências de corte abertas, nota-se intensa presença de ruídos. Porém percebe-se que parte desses ruídos advém do sistema de teste mecânico, uma vez que ambos os acelerômetros apresentaram o mesmo comportamento.

Figura 9 – Resposta do protótipo e do acelerômetro de referência na frequência de 2 Hz e amplitude de 1 mm.

O mesmo comportamento de similaridade entre a resposta do acelerômetro do protótipo e do acelerômetro de referência pode ser visto na Figura 10. Esse ensaio manteve a amplitude de vibração ajustada em 1 mm, porém a frequência foi ampliada para 10 Hz. O ajuste quase perfeito das curvas mostra que as diferenças são resultantes da mecânica do teste, sendo que neste caso há pouca presença de ruído e a resposta se aproxima melhor de uma senóide.

Para simplificar a análise foram utilizadas algumas propriedades estatísticas dos sinais medidos, tais como as médias e desvios padrões nos trechos mais estáveis. De acordo com Carlson e Crilly (2010) [4], a média de um sinal elétrico em determinadas condições (sinal ergódico) corresponde ao nível em corrente contínua desse sinal. O desvio padrão desse mesmo sinal corresponde ao valor RMS da componente em corrente alternada desse sinal. Esses parâmetros nos ajudam a correlacionar os sinais do acelerômetro de referência com o acelerômetro do protótipo. Esses valores foram calculados com auxílio do programa de cálculos matemáticos OCTAVE. Na Tabela 2, pode-se observar o resumo dos resultados obtidos nos testes do acelerômetro MPU-6050.

Figura 10 – Resposta do protótipo e do acelerômetro de referência a frequência de 10 Hz e amplitude de 1 mm.

A Tabela 2 mostra que o acelerômetro de referência suprime a componente de 1 g da gravidade, enquanto que o acelerômetro do protótipo a mantém. Os valores dos desvios padrão do acelerômetro de referência são muito próximos dos valores do acelerômetro testado.

Pode-se observar na última coluna à direita que a relação entre os desvios padrões, quando utilizado um filtro mais aberto, varia em no máximo 2 % do valor unitário. Quando são utilizados filtros mais apertados, a variação da razão aumenta quanto mais próxima à frequência de excitação se encontra da frequência de corte do filtro. Isso pode ser causado por variações de amplitude na resposta em frequência dos próprios filtros dos acelerômetros. Ainda assim, a maior diferença observada é de 13 %.

 

Tabela 2 – Resultados obtidos para o MPU-6050

Obs: Os campos vazios são decorrentes de leituras que o instrumento não salvou em arquivo, por motivo desconhecido.

Nota: ¹ Média que representa o valor da componente contínua do sinal. ² Desvio padrão do sinal, que representa o valor RMS da componente alternada. ³ A relação entre a frequência de amostragem e a frequência de corte do filtro passa baixas não atinge ao critério de Nyquist  porque o sistema de aquisição de dados impõe os valores de amostragem conforme escolha do filtro.

    Foram repetidos os testes senoidais para o acelerômetro ADXL355, configurado para operar com 20 bits. Os resultados podem ser observados na Tabela 3.  

Tabela 3 – Resultados obtidos para o ADXL355.

Nota: ¹ Média que representa o valor da componente contínua do sinal. ² Desvio padrão do sinal, que representa o valor RMS da componente alternada. ³ A relação entre a frequência de amostragem e a frequência de corte do filtro passa baixas não atinge ao critério de Nyquist ( ) porque o sistema de aquisição de dados impõe os valores de amostragem conforme escolha do filtro.

 

Pela Tabela 3, pode-se observar o mesmo comportamento observado na Tabela 2 para o MPU-6050: na última coluna à direita, a relação entre os valores RMS, quando utilizado um filtro mais aberto, têm uma variação entre os acelerômetros bem pequena. Quando são utilizados filtros mais apertados, a variação da razão aumenta quanto mais próxima à frequência de excitação se encontra da frequência de corte do filtro. Isso pode ser causado por variações de amplitude na resposta em frequência dos próprios filtros dos acelerômetros.

Na sequência, foram realizados ensaios de medição de inclinação na faixa de interesse. Inicialmente foi testado o acelerômetro MPU-6050. Esse acelerômetro foi configurado para operar com filtro digital do tipo passa baixas com frequência de corte em 5 Hz e taxa de amostragem de 50 Hz. Os resultados estão compilados na Tabela 4.

 

Tabela 4 – Medidas de inclinação com o MPU-6050.

A seguir, foram realizados ensaios de medição de inclinação com o acelerômetro ADXL355. Ele foi configurado para operar com 20 bits, utilizando um filtro passa baixas de 1,953 Hz e frequência de amostragem de 7,812 Hz. Os resultados podem ser observados na Tabela 5. Analisando os resultados podemos concluir que esse acelerômetro foi capaz de medir a inclinação nos eixos Y e Z.

 

Tabela 5 – Medidas de inclinação com o ADXL355.

Conclusões

 

Os testes e ensaios realizados até o momento apresentaram resultados promissores quanto à aplicação de acelerômetros MEMS de baixo custo no monitoramento estrutural. Observou-se que, apesar da grande diferença de custo, as respostas dos acelerômetros MPU-6050 e ADXL355 apresentaram grande similaridade com a do acelerômetro de referência.

Foi possível medir inclinações na faixa de interesse tanto com o acelerômetro MPU-6050 quanto com o acelerômetro ADXL355. O MPU-6050 mostrou uma sensibilidade insuficiente no eixo Z quando realizadas medidas na faixa de interesse. Porém, considerando que as medidas de inclinações em geral são realizadas utilizando um único eixo, ele pode ser considerado como uma parte da solução. O ADXL355 operou conforme esperado nos dois eixos, Y e Z, sem restrições. Ressalta-se que, apesar de mais custoso do que o MPU-6050, o preço desse acelerômetro ainda é uma fração do valor dos sensores utilizados atualmente.

Outro ponto de impacto no custo do monitoramento de estruturas está no hardware de aquisição de dados. A aplicação do microcontrolador, em especial do Atmega32u4 na plataforma Arduino, se mostrou altamente viável, sendo que o hardware não apresentou limitações em seu uso. Nota-se, entretanto, a necessidade de ensaios de resistência e durabilidade, uma vez que esses equipamentos serão instalados ao ar livre, sujeitos às intempéries e grandes variações de temperatura.

Monitoramento estrutural de obras civis utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo

Outros artigos da série

Referências

 

[1] DESHMUKH, A. V. Microcontrollers – Theory And Applications, 2011.

[2] TAKAMIYA, F. T.; Desenvolvimento de controle e monitoramento utilizando arduino engenharia de controle e automação. Anais do Conic-Semesp. Volume 1, Faculdade Anhanguera de Campinas – Unidade 3, 2013.

[3] MARGOLIS, M.; WELDIN, H. Arduino Cookbook. United States of America, 2011. 658p.

[4] CARLSON, A. B.; CRILLY, P. B. Communication systems: an introduction to signals and noise in electrical communication. 5ª ed. Boston: McGraw-Hill Higher Education, 2010.  

Licença Creative Commons Esta obra, “Monitoramento estrutural de obras civis utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo – Arranjos experimentais e resultados“, de  Fabio Ioveni LavandosckyDiego Lapolli Bressan,Lucas P. G. Fernandes, Douglas Bellomo Cavalcante, Icaro Gonçales e Henrique Frank W. Puhlmann está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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