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Robótica

GPS para o fundo do mar funciona com som e dispensa baterias

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/11/2020

GPS para o fundo do mar funciona com som e dispensa baterias
Esta foto mostra o sensor sem bateria encapsulado em uma garrafa antes de ser liberado para testes.
[Imagem: Fadel Adib Lab/MIT]

GPS submarino

Os sistemas de posicionamento global via satélite - tipo o GPS dos Estados Unidos, o Galileo da União Europeia, o GLONASS da Rússia e o Beidou da China - são muito bons, mas a Terra tem 75% da sua superfície coberta por oceanos.

Como esses sistemas dependem de ondas de rádio, que se atenuam rapidamente em líquidos, incluindo a água do mar, a navegação no fundo mar continua sendo uma fronteira inexplorada.

Para rastrear objetos submarinos como drones ou baleias, os pesquisadores contam com a tradicional sinalização acústica, mas os dispositivos que geram e enviam som tipicamente requerem baterias volumosas e de curta duração - gerar sons gasta muita energia -, que precisam ser trocadas regularmente, um inconveniente para robôs de pesquisa ou sinalizadores presos aos animais, que deveriam funcionar por anos a fio.

Reza Ghaffarivardavagh e seus colegas do MIT, nos EUA, apresentaram agora uma solução de navegação sônica sem baterias, que eles batizaram de Localização Subaquática por Retroespalhamento.

Em vez de emitir seus próprios sinais acústicos, o sistema reflete sinais modulados do ambiente, fornecendo informações de posicionamento com energia líquida zero.

O truque está no uso de materiais piezoelétricos, materiais geram sua própria carga elétrica em resposta ao estresse mecânico, como serem atingidos por ondas sonoras vibratórias. Os sensores piezoelétricos podem então usar essa carga para refletir seletivamente algumas ondas sonoras de volta. Um receptor traduz essa sequência de reflexos, chamada retroespalhamento, em um padrão de 1s (para ondas sonoras refletidas) e 0s (para ondas sonoras não refletidas). O código binário resultante pode conter qualquer tipo de informação, como as lidas por sensores de um veículo submarino de pesquisa, por exemplo.

GPS para o fundo do mar funciona com som e dispensa baterias
A técnica funciona, mas a equipe ainda trabalha na busca de um equilíbrio entre precisão e rastreamento de objetos móveis.
[Imagem: Reza Ghaffarivardavagh et al. - 10.1145/3422604.3425950]

Precisão contra velocidade

Em princípio, essa técnica sônica pode fornecer informações de localização. Uma unidade de observação pode emitir uma onda sonora, então cronometrar quanto tempo leva para essa onda sonora refletir no sensor piezoelétrico e retornar à unidade de observação. O tempo decorrido pode ser usado para calcular a distância entre o observador e o sensor piezoelétrico. Mas, na prática, temporizar o retroespalhamento é complicado, porque o oceano funciona como uma câmara de eco, além de as ondas sonoras viajarem refletindo-se entre a superfície e o fundo do mar.

Os pesquisadores superaram esse problema de reflexão usando "saltos de frequência": Em vez de enviar sinais acústicos em uma única frequência, a unidade de observação envia uma sequência de sinais em uma faixa de frequências. Cada frequência tem um comprimento de onda diferente, de modo que as ondas sonoras refletidas retornam à unidade de observação em diferentes fases. Ao combinar informações sobre o tempo e a fase, o observador pode apontar a distância até o dispositivo de rastreamento e fornecer sua localização.

A equipe agora está se dedicando a superar uma deficiência: Enquanto diminuir a taxa de transmissão dos pulsos sônicos melhora a precisão da localização, o monitoramento de objetos em movimento exige que essa taxa seja mais alta. No estágio atual, a técnica permite acompanhar um objeto em movimento no oceano usando uma taxa de 10.000 bits/segundo, mas a melhor precisão é obtida a 2.000 bits/segundo.

Bibliografia:

Artigo: Underwater Backscatter Localization: Toward a Battery-Free Underwater GPS
Autores: Reza Ghaffarivardavagh, Sayed Saad Afzal, Osvy Rodriguez, Fadel Adib
Revista: Proceedings of th Association for Computing Machinery Hot Topics in Networks workshop
DOI: 10.1145/3422604.3425950





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