[pt] O desempenho de sistemas inerciais de navegação ou de indicação de rumo e atitude é fortemente ligado à qualidade metrológica dos sensores inerciais, acelerômetros e giroscópios, que compõem esses sistemas. É proposta uma metodologia para calibração e cálculo de incertezas de acelerômetros pendulares servo controlados do tipo Q-flex e de giroscópios de dois graus de liberdade do tipo sintonizado seco ou DTG. É proposta uma metodologia para calcular o envelope de incerteza dos parâmetros de navegação e estabilização fornecidos por um sistema inercial ao longo de um perfil dinâmico previamente estabelecido. Estes estudos servirão de base para emissão de laudos de calibração de acelerômetros e giroscópios pelo Laboratório de Sensores Inerciais do Instituto de Pesquisas da Marinha, assim como orientação em projetos de sensores inerciais a serem fabricados no Brasil e análise de desempenho de sistemas a partir de um perfil dinâmico típico. / [en] The performance of navigation and attitude or heading indication of inertial systems is directly influenced by the metrological quality of the accelerometers and gyroscopes used for supplying information to the servo controlled systems. This thesis presents a methodology for estimating the metrological confidence level of servo controlled pendular accelerometer and dry tuned gyroscope parameters. This thesis also presents a methodology for calculating the uncertainty envelope of inertial system parameters as a function of time when submitted to a dynamic profile. Based on these studies the Navy Research Institute Inertial Laboratory will be able to provide detailed test report on the inertial systems. The methodologies that were developed in this thesis will help design people to achieve a better performance when a typical dynamic profile is applied to an inertial system.

[pt] Alguns projetos típicos de explotação de petróleo em águas profundas no Brasil exigem que se adotem alternativas de menor custo de desenvolvimento para que possam ser viabilizados. Nesses casos, deve-se também buscar reduzir o tempo para o desenvolvimento da produção, incluindo a perfuração de poços, o sistema de coleta submarino e a instalação das unidades de produção. Além disso, esses projetos podem ser significativamente afetados pelo regime fiscal vigente. É importante salientar que projetos de desenvolvimento offshore exercem um forte impacto sócio-econômico no país, não só pela geração de receita fiscal oriunda da produção petrolífera como também pela geração de emprego e renda no suprimento de bens e serviços para o desenvolvimento da produção. O presente trabalho tem por objetivo analisar uma nova proposta de um algoritmo de previsão de produção e da viabilidade econômica dos campos offshore baseado no regime fiscal vigente. / [en] Some typical deep water offshore reservoirs in Brazil requires the use some less expensive alternatives in order to make them economically attractive. In these cases we also need to reduce the development time including the perforation of the fields, the under water collecting system and the installation of the production units. These projects can also very affected according with the standing tax structure. It is also important to enforce that that offshore projects has a large impact on the social-economics of the country, not only for the generation of revenue form the tax income but also because of the job generation and for the needs of goods and services from the surrounding region. The present work has the objective to analyze a new numerical production algorithmic for offshore fields and also economic viability of the offshore fields based on the current tax structure.

[pt] Na exploração e produção de petróleo em águas profundas e ultraprofundas, um dos problemas mais freqüentes é a contenção da fragmentação do reservatório durante a produção do óleo, quando o mesmo é proveniente de arenitos inconsolidados, facilmente encontrados na Bacia de Campos e demais fronteiras Offshore ao longo da costa Brasileira. O ingresso do material particulado do reservatório na coluna produtora irá criar problemas de erosão e deposição nas tubulações e demais equipamentos de superfície. Para evitar estes problemas, atualmente está sendo empregada de forma intensiva a técnica de contenção de areia chamada de Gravel Packing em poço aberto (OHGP - Open Hole Gravel Packing). Dadas as condições críticas encontradas quando se perfura em águas profundas e ultra-profundas, tais como baixo gradiente de fratura das formações, aliado à necessidade de se perfurar poços com trechos horizontais cada vez mais extensos, é imperativo que se faça o deslocamento do Gravel- pack com precisão operacional suficiente para garantir o sucesso da tarefa. Como a tecnologia para a perfuração e completação de poços horizontais extensos (trechos acima de 600m) foi desenvolvida a poucos anos atrás, somente recentemente, foi notado que tais trechos horizontais acarretam em um problema para o escoamento, ou seja, nestes poços não se tem um perfil homogêneo de produção, levando a uma drenagem não uniforme do reservatório e a uma baixa eficiência de recuperação. Isto sem contar a chegada antecipada da água injetada e a formação de cones de água e gás. Portanto, dispositivos para a equalização do escoamento da produção estão sendo desenvolvidos, através de projetos de pesquisa em diversos lugares. Telas de Gravel-pack dotadas de uma furação não-uniforme no seu tubo base consiste em uma destas novas tecnologias. O foco desta dissertação será apresentar o desenvolvimento do modelo matemático aplicado para o cálculo da vazão nos furos e para a checagem da melhor disposição dos mesmos, nos tubos base das telas de Gravel-pack. Tal furação deverá ter a capacidade de uniformizar o fluxo do óleo produzido ao longo do trecho de poço aberto horizontal, provendo uma melhor drenagem do reservatório, garantindo o deslocamento do Gravel-pack sem que a sobrepressão gerada, durante a operação, devido a baixa concentração de furos do tubo base (junto ao calcanhar do poço), frature a formação produtora e, ao mesmo tempo, garantindo o deslocamento através de ondas alfa e beta sem que, a concentração excessiva de furos (junto ao dedão do poço), leve ao embuchamento prematuro. Os resultados obtidos são validados através de um trabalho experimental de simulações físicas em escala próxima à real. / [en] One of the most common problems in deep and ultradeep water explorations are the sand control during production time, even in unconsolidated sandstones reservoirs, easily found in Campos Basin and others Offshore frontiers along the Brazilian coast. The reservoir particles entrance in the production pipe may create erosion inside the column and deposition problems in the surface and subsurface equipments. In order to avoid all of these problems Open Hole Gravel-Packing (OHGP) is the most applied sand control technique in such scenarios. Due to the critical conditions found in deep and ultradeep waters such as low fracture gradient, ally long horizontal section requirements, is imperative that the Gravel-Packing operation be done with accuracy. Since the long horizontal wells technology it was developed few years ago, only recently has been noted that such wells brings other flow problem, that is: the wells delivery a non-uniform production profile, that leads to a non-uniform reservoir drainage as well as a low recovery efficiency. This phenomenon is also related to the early breakthrough of water and to water and gas conning problems. Therefore, flow equalization devices are being developed, through research projects, for several teams. Gravel-Pack screens with an unevenly holes pattern perforated in the base-pipe consist in one of these new solutions. The main focus of this work consist in present the mathematical model development applied to the flow rate calculus in the holes and the checking of the best hole pattern in the base- pipe. Such pattern should have the capacity to promote the production profile equality, providing the best reservoir drainage, guaranteeing the total Gravel-Package without the overpressure created, during the operation, due to the few concentration of base-pipe holes (close to the heel), may cause the formation fracture and, at same time, guaranteeing the displacement through alfa/beta waves without, the excessive holes concentration (close to the toe), lead to premature screen-out. The computational results obtained are validated through an experimental work by physical simulations.

[pt] Apresentam-se nesta dissertação os principais modelos para análise e simulação de colisões e reconstituição de acidentes, desenvolvidos especialmente para reproduzir a dinâmica de uma colisão de forma adequada. Esse tipo de tratamento está se tornando uma indispensável ferramenta de auxílio nas perícias judiciais e para uma melhor interpretação de problemas de colisão em geral. Os programas desenvolvidos em MATLAB são baseados na implementação das equações relacionadas à interação entre os veículos, supostos rígidos, que ocorre durante uma colisão e são aplicáveis aos casos de colisões centrais e oblíquas, gerando resultados válidos e compatíveis aqueles obtidos através da teoria de conservação da quantidade de movimento, e com as medições realizadas após os acidentes. / [en] It is shown in this dissertation the main models for collisions analysis and simulation and accidents reconstruction, developed specially to reproduce the collision dynamics by an appropriated approach. This approach are becoming an indispensable tool of help for a better interpretation of collision and forensic problems. The MATLAB programs developed are based on implementation of equations related to rigid vehicles interaction in a collision, and are applicable for the central and oblique collisions, supplying valid and compatible results to those obtained by momentum conservation theory, and accidents experimental data.

[pt] Questões de segurança têm sido fatores cruciais para que robôs se tornem aptos a trabalhar em colaboração com seres humanos. Esse esforço envolve um controle de força mais refinado e uma certa flexibilidade nas juntas para que a adaptação dos robôs ao ambiente real e às atividades comuns dos seres humanos seja efetiva. Uma das tecnologias com esse objetivo é o Atuador Elástico em Série (SEA - Series Elastic Actuator), que apresenta um bom desempenho para controle de força, tolerância a impactos causados por agentes externos, baixa impedância, e a redução de vibrações mecânicas. Em um SEA, um elemento elástico passivo é adicionado entre o motor e o elo acionado, a fim de gerar flexibilidade. Este elemento pode ser uma mola, ou outro elemento deformável com flexibilidade caracterizada por sua geometria e pela elasticidade do material utilizado. Esta tese propõe um Atuador Elástico em Série Baseado em Elastômero (eSEA), cuja flexibilidade é obtida a partir de um elastômero depositado entre dois elementos metálicos: um interno acoplado ao atuador, e o outro externo acoplado ao elo. O eSEA foi projetado e avaliado por software de CAD e Elementos Finitos, com o intuito de obter a flexibilidade desejada para a aplicação. Foram produzidas duas versões do eSEA, com duas durezas diferentes: 10 e 55 Shore A. Testes estáticos com células de carga foram executados para caracterizar a rigidez dos eSEA. Os eSEA foram instalados em manipuladores robóticos especialmente desenvolvidos para essa tese. Experimentos compararam o desempenho das técnicas de controle com e sem a influência dos eSEA, mostrando que o uso dos eSEA diminuiu os erros de posicionamento do manipulador e possibilitou o controle de força sem a necessidade de sensores específicos. A fim de criar um modelo para que a estimativa do torque seja mais precisa a partir do eSEA, foram realizadas técnicas de identificação para estimar uma função de transferência que melhor representa o alongamento da borracha. E combinados com modelos NARX e NARMAX do erro de estimativa, gerou-se um modelo híbrido para o elemento elástico no qual soma-se a função de transferência com o erro modelado. / [en] Safety issues have been crucial factors for robots to become able to work in collaboration with humans. This effort involves more refined force control and a certain flexibility at the joints, for the robots to better adapt to real environments and common human tasks. A technology with this objective is the Series Elastic Actuator (SEA), which presents good performance for force control, tolerance to impacts caused by external agents, low impedance, and dampening of mechanical vibrations. In an SEA, a passive elastic element is added between the motor and the driven link, in order to generate a desired flexibility. This element can be a spring, or else another deformable element with flexibility characterized by its geometry and material elasticity. This thesis proposes an Elastomer-Based Series Elastic Actuator (eSEA), whose flexibility is obtained from an elastomer deposited between two metallic elements: an internal element attached to the actuator, and an external element attached to the link. The eSEA was designed and evaluated by CAD and Finite Element software, in order to obtain the desired flexibility for the application. Two versions of the eSEA were produced, with two different hardnesses: 10 and 55 Shore A. Static tests with load cells were then executed to characterize the stiffness of the eSEA. The eSEA elements were installed on robotic manipulators especially developed for this thesis. Experiments compared the performance of control techniques with and without the influence of eSEA, showing that the use of the eSEA reduced manipulator positioning errors and enabled force control without the need for specific sensors. In order to create a model for more accurate torque estimation from eSEA, identification techniques were performed to estimate a transfer function that best represents the rubber elongation. And combined with NARX and NARMAX models of the estimation error, a hybrid model was generated for the elastic element in which the transfer function is added together with the modeled error.

[pt] A abstração matemática de um processo físico é essencial em problemas de engenharia, pois muitas vezes pode ser impraticável ou impossível realizar experimentos no sistema real. Além disso, modelos matemáticos são mais flexíveis que protótipos físicos, permitindo um rápido refinamento dos projetos do sistema para otimizar várias medidas de desempenho. As aplicações dos modelos podem ser divididas em quatro partes, a saber: projeto, estimativa, controle e monitoramento. Algumas aplicações específicas são i) simulações, ii) soft sensors, iii) avaliação de desempenho, iv) controle estatístico de qualidade e v) detecção e diagnóstico de falhas. Este trabalho visa então: i) desenvolver diferentes classes de modelos capazes de simular com precisão a variável de saída de um sistema, ii) avaliar a eficiência dos algoritmos de otimização utilizados na tarefa de estimação de parâmetros, iii) avaliar qual modelo de atrito é o mais adequado para descrever esse fenômeno em um sistema de posicionamento. Os resultados mostraram que o atrito no sistema de posicionamento apresenta comportamento não linear e assimétrico, já que alguns termos dos modelos de atrito relacionados às velocidades positiva e negativa são significativamente diferentes um do outro. O resultado final do processo de otimização que usou um algoritmo de busca local foi altamente dependente das condições iniciais e do número de parâmetros estimados, o que elevou o erro de simulação. Entretanto, melhores estimativas da variável de saída foram alcançadas quando essa abordagem foi combinada com outros modelos de diferentes classes. Através dessa última abordagem o erro relativo foi reduzido em mais de 20 porcento. As simulações realizadas com os parâmetros estimados pelos algoritmos evolucionários foram mais acuradas, eles foram capazes de reduzir o erro relativo em quase 30 porcento quando comparados com o algoritmo de busca local. Considerando o segundo estudo de caso, o otimizador baseado em árvores de decisão se mostrou igualmente eficaz se comparado aos algoritmos evolucionários. O erro relativo das simulações usando os parâmetros estimados por esses algoritmos foi inferior a 8 porcento. Além disso, a forma do atrito reconstruído na segunda junta do manipulador robótico através dos parâmetros estimados pelos algoritmos está de acordo com o esperado. / [en] The mathematical abstraction of a physical process is essential in engineering problems, as it can often be impractical or impossible to perform experiments on the real system. Besides, mathematical models are more flexible than physical prototypes, allowing for quick refinement of system designs to optimize various performance measures. The applications of the models can be divided into four parts, namely: design, estimation, control and monitoring. Some specific applications are i) simulations, ii) soft sensors, iii) performance evaluation, iv) statistical quality control and, v) fault detection and diagnosis. This work aims to: i) develop different classes of models capable of accurately simulating the output variable of a system, ii) evaluate the efficiency of optimization algorithms used in the parameter estimation task, iii) assess which friction model is the most appropriate to describe this phenomenon in a positioning system. The results showed that the friction in the positioning system presents a nonlinear and asymmetric behavior since some terms of the friction models related to the positive and negative velocities are significantly different from each other. The final result of the optimization process that used a local search algorithm was highly dependent on the initial conditions and the number of estimated parameters, which increased the simulation error. However, better estimates of the output variable were achieved when this approach was combined with other models of different classes. Through this last approach, the relative error was reduced by more than 20 percent. The simulations performed with the parameters estimated by the evolutionary algorithms were more accurate, they were able to reduce the relative error by almost 30 percent when compared with the local search algorithm. Considering the second case study, the decision tree-based optimizer proved to be equally effective compared to evolutionary algorithms. The relative error of the simulations using the parameters estimated by these algorithms was less than 8 percent. Besides, the shape of the friction reconstructed in the second joint of the robotic manipulator through the parameters estimated by the algorithms is in accordance with the expected.