Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um sistema de posicionamento dinâmico para uma pequena embarcação baseado em controle a estrutura variável com realimentação por visão computacional. Foram investigadas, na literatura, diversas técnicas desenvolvidas e escolheu-se o controle a estrutura variável devido, principalmente, ao modo de acionamento dos propulsores presentes no barco utilizado para os experimentos. Somando-se a isto, foi considerada importante a robustez que a técnica de controle escolhida apresenta, pois o modelo utilizado conta com incerteza em sua dinâmica. É apresentado ainda o projeto da superfície de deslizamento para realizar o controle a estrutura variável. Como instrumento de medição optou-se por utilizar técnicas de visão computacional em imagens capturadas a partir de uma webcam. A escolha por este tipo de sistema deve-se a alta precisão das medições aliada ao seu baixo custo. São apresentadas simulações e experimentos com controle a estrutura variável em tempo discreto utilizando a integral do erro da posição visando eliminar o erro em regime. Para realizar o controle que demanda o estado completo, são comparados quatro estimadores de estado realizados em tempo discreto: derivador aproximado; observador assintótico com uma frequência de amostragem igual a da câmera; observador assintótico com uma frequência de amostragem maior que a da câmera; e filtro de Kalman. / The design of a dynamic positioning system for a small boat based on variable strutucture control and visual-servoing is presented. Many control tecniques have been investigated and the variable structure control was chosen, mainly, due the operation mode of the motor drivers installed on the boat applied in the experiments. The robustness of this control technique was also considered since the available dynamic model of the boat is uncertain. The design of the sliding surface is shown as well. Computer vision techniques were used to measure the position of the boat from images taken with a webcam, this kind of measure system was chosen due to its high accuracy and low cost. Simulation and experimental results of discrete time variable structure control with integral action of the boats postion, included in order to eliminate steady state error, are shown. To develop this controller four state estimators, in discrete time, are compared: derivative of position; asymptotic observer at a high sampling rate; asymptotic observer at webcams sampling rate; and Kalman filter.

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um sistema de posicionamento dinâmico para uma pequena embarcação baseado em controle a estrutura variável com realimentação por visão computacional. Foram investigadas, na literatura, diversas técnicas desenvolvidas e escolheu-se o controle a estrutura variável devido, principalmente, ao modo de acionamento dos propulsores presentes no barco utilizado para os experimentos. Somando-se a isto, foi considerada importante a robustez que a técnica de controle escolhida apresenta, pois o modelo utilizado conta com incerteza em sua dinâmica. É apresentado ainda o projeto da superfície de deslizamento para realizar o controle a estrutura variável. Como instrumento de medição optou-se por utilizar técnicas de visão computacional em imagens capturadas a partir de uma webcam. A escolha por este tipo de sistema deve-se a alta precisão das medições aliada ao seu baixo custo. São apresentadas simulações e experimentos com controle a estrutura variável em tempo discreto utilizando a integral do erro da posição visando eliminar o erro em regime. Para realizar o controle que demanda o estado completo, são comparados quatro estimadores de estado realizados em tempo discreto: derivador aproximado; observador assintótico com uma frequência de amostragem igual a da câmera; observador assintótico com uma frequência de amostragem maior que a da câmera; e filtro de Kalman. / The design of a dynamic positioning system for a small boat based on variable strutucture control and visual-servoing is presented. Many control tecniques have been investigated and the variable structure control was chosen, mainly, due the operation mode of the motor drivers installed on the boat applied in the experiments. The robustness of this control technique was also considered since the available dynamic model of the boat is uncertain. The design of the sliding surface is shown as well. Computer vision techniques were used to measure the position of the boat from images taken with a webcam, this kind of measure system was chosen due to its high accuracy and low cost. Simulation and experimental results of discrete time variable structure control with integral action of the boats postion, included in order to eliminate steady state error, are shown. To develop this controller four state estimators, in discrete time, are compared: derivative of position; asymptotic observer at a high sampling rate; asymptotic observer at webcams sampling rate; and Kalman filter.

Hoje em dia com o crescente aumento da exploração de petróleo e gás em águas profundas, há um aumento na demanda por operações offshore envolvendo a cooperação entre unidades flutuantes. Tais operações requerem um alto nível de planejamento e coordenação, o que na maioria dos casos é feito com a troca de informação no nível de operação, com cada unidade flutuante comandada independentemente. Exemplos de operações deste tipo vão desde operações de alívio passando por operações de instalação de equipamento submarino, até operações de pesquisa envolvendo múltiplas unidades flutuantes dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (DP). As vantagens do controle cooperativo surgem com a redução do erro da distância relativa durante a manutenção do posicionamento ou durante a execução de manobras de posicionamento conjuntas. No presente trabalho, os conceitos de controle de consenso são aplicados de forma combinada com o sistema DP de cada navio. A influência dos ganhos do controlador cooperativo no sistema como um todo será discutida, utilizando-se técnicas de análise da resposta em frequência. Simulações completas no domínio do tempo e experimentos usando modelos em escala serão utilizados para se demonstrar o funcionamento do controle cooperativo. Todas as simulações serão conduzidas no simulador Dynasim e os ensaios experimentais no tanque de provas da Engenharia Naval da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Além disso, serão feitas comparações entre os experimentos em tanque de provas e simulações numéricas equivalentes, demonstrando-se a validade dos ensaios numéricos. Será também demonstrado que os requisitos de projetos adotados são atendidos pelos ensaios em tanque de provas. . / With the increasing of deep water oil & gas exploration, there is also an increase in the demand by offshore operations involving muti-vessels. Such operations require a high level of planning and coordination, which in most of the cases is made by information exchange at the operation level, being each vessel commanded independently. Examples of such operations are offloading, subsea equipment installation and subsea research operation; all of them involving multiples dynamically positioned (DP) vessels. The advantage of the cooperative control arises with the reduction of the relative positioning error during station keeping or transient maneuvers. In this work, the consensus control concepts are applied combined with the DP System of each ship. The cooperative DP controller will be investigated with the analysis of the coupled dynamics of the vessels. The influence of the cooperative control gains on the whole system will be discussed, using the frequency response of the open loop system. Fully nonlinear time-domain simulations and experimental results will be used to demonstrate the operation of the cooperative control. Besides that, comparisons between the small-scale experiments and equivalent numerical simulations will be carried out, validating the experimental results. It will also be demonstrated that the adopted design requirements are met. All tests will be carried out using the Dynasim numerical simulator and the small-scale experiments will be carried on the academic towing tank in the Naval Architecture and Ocean Engineering Department, Polytechnic School of University de São Paulo.

Este trabalho tem como objetivo central o desenvolvimento da infra-estrutura de sensoriamento e atuação para a avaliação de Sistemas de Posicionamento Dinâmico de modelos reduzidos de embarcações em tanques de provas. Ele descreve a concepção, o projeto, a implementação e os testes de um sistema sensor de posição e orientação do modelo, assim como o hardware dos propulsores utilizados como atuadores do modelo. O sistema sensor é baseado na emissão e recepção de sinais acústicos sincronizados de alta freqüência (ultra-som). Utiliza-se o Método Esférico 3-D como algoritmo de triangularização, obtendo-se a estimativa da posição por meio da minimização de uma medida quadrática do erro. Além disso, foi também aplicado o filtro estendido de Kalman como algoritmo de estimação. São apresentadas de forma clara e objetiva as dificuldades encontradas no decorrer do desenvolvimento do trabalho, bem como as soluções adotadas para contorná-las, analisando as influências das condições atmosféricas e do ambiente laboratorial no processo de medição, os resultados obtidos a partir dos ensaios, a robustez e o desempenho do sistema sensor. / The main objective of this work is the development of both sensing and actuation infra-structure for the performance evaluation of Dynamic Positioning Systems for reduced scale model of ships in towing tanks or offshore tanks. It describes the conception, design, implementation and tests of a range and orientation sensor system, as well as the hardware of the propellers used as the model actuators. The sensor system is based on the emission and reception of high frequency synchronized accoustic signals (ultra-sound). A 3-D spherical method based on the minimization of a quadratic measure of the error is used to estimate the position of the ship model. Furthermore the extended Kalman filter is also used. The difficulties found during the development of the project are presented as well as the solutions adopted to circumvent them. The experimental results obtained are discussed. In particular, the influence of both the local atmosphere and the lab environment on the performance of the sensor system are taken into account.

This thesis defines and applies a methodology for analyzing the possibility of extending the operating sector of DP shuttle tankers for offloading operations in Spread Moored FPSO Platforms. Extending the operating sector is beneficial to increase operations\' availability and to reduce DP power demand under certain environmental conditions. This study is important, since several emergency disconnections have occurred during offloading in Santos Basin because the shuttle tanker was pushed out of the green sector by environmental resultants that pointed to the West. However, this proposal has to be carefully analyzed in order to guarantee the operations\' safety and not to increase the risks of collision between FPSO and shuttle tanker, of oil pollution and of personnel safety. The methodology consists in five basic steps: Preliminary Risk Analysis to assess the potential hazards associated with the new sector; evaluation of the uptime gain through static analysis; evaluation of DP power demand inside the original and extended sector; real time simulations to evaluate the operation in a realistic environment; and, finally, field tests to validate the proposal. This thesis presents the contextualization of the problem, a bibliographical research, theoretical concepts, the detailed methodology and results of each step. The results show that the average uptime gain is significant both in Campos and Santos Basins - up to 9% and 13% respectively - and that the additional risks created by the sector extension are well mitigated if some recommendations are put into place. The conclusion of this thesis is that extending the operating sector is not only beneficial but also safe. / Esta dissertação define e aplica uma metodologia para analisar a possibilidade de extensão do setor operacional de navios aliviadores DP para operações de offloading em plataformas FPSO ancoradas em Spread-Mooring. Esta proposta apresenta como vantagens o aumento da disponibilidade das operações e redução na demanda de energia do navio DP em certas condições ambientais. O estudo é importante tendo em vista que várias desconexões de emergência já ocorreram durante operações de alívio na Bacia de Santos, porque o navio-tanque foi empurrado para fora do setor verde por resultantes ambientais que apontavam para oeste. No entanto, a proposta deve ser cuidadosamente analisada para garantir que o novo setor não aumenta os riscos de colisão, de poluição ambiental e de segurança às pessoas. A metodologia consiste em cinco etapas básicas: Análise Preliminar de Riscos (APR); avaliação do ganho de disponibilidade da operação; avaliação da demanda de energia do sistema DP nos setores original e estendido; simulações de manobra em tempo real; e, finalmente, testes em campo para validação da proposta. Esta dissertação apresenta a contextualização do problema, pesquisa bibliográfica, conceitos teóricos, a metodologia detalhada e os resultados de cada etapa. Os resultados mostram que o ganho médio de disponibilidade é significativo nas bacias de Campos e de Santos - até 9% e 13%, respectivamente - e que os riscos adicionais criados pela extensão do setor são devidamente mitigados se as recomendações levantadas na APR forem implementadas. A conclusão desta dissertação é que estender o setor operacional é, não somente benéfico, mas também seguro.

Este trabalho apresenta a modelagem do sistema elétrico de potência de uma plataforma de perfuração dotada de sistema de posicionamento dinâmico. Para tanto, inicialmente são apresentados os conceitos fundamentais de tais unidades, servindo como base teórica e justificando a necessidade de tal estudo. Posteriormente, são apresentados de forma mais detalhada os sistemas de propulsão e geração com as respectivas estratégias de controle. Para a propulsão, estes são acionados por motores de indução trifásicos tendo velocidade controlada a partir da estratégia Direct Torque Control utilizando inversores de três níveis. Para a geração, são utilizados motores diesel como máquinas primárias acoplados a geradores síncronos trifásicos, juntamente com seus respectivos reguladores de velocidade e de tensão. Primeiramente, a operacionalidade destes modelos propostos é confirmada a partir de simulações no programa computacional MATLABR®, utilizando-se a ferramenta gráfica Simulink. Na sequência, a modelagem do sistema de potência completo é obtida no mesmo programa computacional, onde são incluídos os devidos cabeamentos, transformadores e cargas dinâmicas representando os equipamentos de perfuração e de baixa tensão. Utilizando-se de patamares de carga e comandos de velocidade de propulsores obtidos de uma plataforma real em operação de perfuração são realizadas simulações neste sistema completo, tanto com os barramentos de alta tensão interligados quanto segregados. Dentre os resultados obtidos, observa-se que os controles de tensão e de frequência são adequados, além da correta divisão de carga entre geradores a partir do método droop compensado. Por fim, com o intuito de mostrar a potencialidade do sistema obtido, são realizadas análises de curto-circuito mantendo os barramentos de alta tensão interligados, onde é possível observar a propagação da queda de tensão quando a falta ocorre em um barramento de baixa tensão, além das consequências para todo o sistema quando tais faltas são aplicadas no nível de alta tensão. / This work presents the electrical power system modeling of a drilling rig equipped with a dynamic positioning system. Initially, fundamental concepts of such units are presented, bringing a theoretical basis and justifying the need for this study. Subsequently, the propulsion and generation systems as well as their respective control strategies are presented in detail. In regard to the thrusters, they are driven by three-phase induction motors and their speed are controlled by Direct Torque Control strategy using three-level inverters. In respect of the generation system, the prime movers are modeled as diesel engines coupled to three-phase synchronous generators, in addition to their respective speed and voltage regulators. Firstly, the functionality of the proposed models is confirmed by simulations in MATLABR® using Simulink graphical tool. After, the modeling of the complete power system is obtained on the same software, which considers the inclusion of appropriate wiring, transformers and dynamic loads representing the drilling and low voltage equipment. By using load levels and thruster speed commands from an actual vessel during a drilling operation, simulations are carried out at the complete system, considering the high voltage busbars at either connected or segregated configuration. Among the obtained results, it is possible to observe suitable voltage and frequency controls, besides the correct generators load sharing in compensated droop mode. Lastly, to present the potentiality of the obtained system, a short-circuit analysis is performed with the high voltage busbars connected, where it is noticed the means of the voltage drop propagates through the system when the fault occurs at a low voltage busbar, besides the consequences when similar faults are applied at the high voltage level.