O presente trabalho discorre sobre os principais fatores que influenciam o projeto do sistema de posicionamento dinâmico (SPD) de um navio aliviador. Os fatores discutidos estão relacionados às questões de confiabilidade de sistemas e às características dos atuadores tipicamente utilizados em embarcações com SPD, tais como, dutos e azimutais. Em relação à confiabilidade de sistemas, os métodos de avaliação por diagramas de blocos e análise de modos de falha e efeitos (FMEA) são discutidos com a aplicação direcionada aos navios aliviadores com SPD. O uso de banco de dados de incidentes de operações com sistemas flutuantes com SPD também é comentado. As alternativas mais utilizadas de arranjo propulsivo para navios aliviadores são apresentadas e analisadas. As interações hidrodinâmicas entre casco-atuador, atuador-atuador e atuador-corrente são apresentadas e comentadas. Ensaios realizados em tanque de provas com propulsores em duto e azimutais instalados em modelos em escala reduzida são apresentados. O texto apresenta a execução de um projeto de dimensionamento propulsivo de um navio aliviador com SPD que opera em águas brasileiras. Para tanto, um procedimento de projeto é sugerido com as seguintes etapas: estudo dos pontos de operação, definição de requisitos de projeto, cálculo de estimativas iniciais, tomada de decisão para a escolha do arranjo propulsivo pelo método de análise hierárquica (AHP), análise de confiabilidade do SPD por FMEA e, por fim, avaliação de desempenho. A avaliação do desempenho do sistema propulsivo projetado é realizada por diagramas de capacidade e simulações dinâmicas. Uma breve comparação entre navios aliviadores com classificações diferentes é realizada e comentada. / This work discusses the main factors that influence the design of dynamic positioning system (DPS) of a shuttle tanker. The factors discussed are related to issues of reliability of systems and the characteristics of the thrusters typically used on DPS vessels, such as ducts and azimuth. Regarding the reliability of systems, methods of reliability evaluation by block diagrams and analysis of failure modes and effects (FMEA) are discussed in the application on DPS shuttle tankers. The utilization of incidents database of offshore vessels with DPS are discussed. The most used alternatives of propulsive arrangement for shuttle tankers are presented and analyzed. Hydrodynamic interactions between hull-thruster, thruster-thruster and thruster-current are presented and commented. Tests with duct and azimuth propellers installed in scale models are presented. This work presents the design of the propulsive subsystem of a DPS shuttle tanker which operates in Brazilian waters. Thus, a design procedure is suggested with the following steps: a study of the operation points, definition of the design requirement, initial estimates, choice the propulsive arrangement by Analytic Hierarchy Process (AHP), reliability analysis of DPS by FMEA and performance evaluation. The performance evaluation of propulsive subsystem is evaluated by wind and current capability plots and dynamical simulations. A brief comparison of shuttle tankers with different classifications is performed and discussed.

O presente trabalho discorre sobre os principais fatores que influenciam o projeto do sistema de posicionamento dinâmico (SPD) de um navio aliviador. Os fatores discutidos estão relacionados às questões de confiabilidade de sistemas e às características dos atuadores tipicamente utilizados em embarcações com SPD, tais como, dutos e azimutais. Em relação à confiabilidade de sistemas, os métodos de avaliação por diagramas de blocos e análise de modos de falha e efeitos (FMEA) são discutidos com a aplicação direcionada aos navios aliviadores com SPD. O uso de banco de dados de incidentes de operações com sistemas flutuantes com SPD também é comentado. As alternativas mais utilizadas de arranjo propulsivo para navios aliviadores são apresentadas e analisadas. As interações hidrodinâmicas entre casco-atuador, atuador-atuador e atuador-corrente são apresentadas e comentadas. Ensaios realizados em tanque de provas com propulsores em duto e azimutais instalados em modelos em escala reduzida são apresentados. O texto apresenta a execução de um projeto de dimensionamento propulsivo de um navio aliviador com SPD que opera em águas brasileiras. Para tanto, um procedimento de projeto é sugerido com as seguintes etapas: estudo dos pontos de operação, definição de requisitos de projeto, cálculo de estimativas iniciais, tomada de decisão para a escolha do arranjo propulsivo pelo método de análise hierárquica (AHP), análise de confiabilidade do SPD por FMEA e, por fim, avaliação de desempenho. A avaliação do desempenho do sistema propulsivo projetado é realizada por diagramas de capacidade e simulações dinâmicas. Uma breve comparação entre navios aliviadores com classificações diferentes é realizada e comentada. / This work discusses the main factors that influence the design of dynamic positioning system (DPS) of a shuttle tanker. The factors discussed are related to issues of reliability of systems and the characteristics of the thrusters typically used on DPS vessels, such as ducts and azimuth. Regarding the reliability of systems, methods of reliability evaluation by block diagrams and analysis of failure modes and effects (FMEA) are discussed in the application on DPS shuttle tankers. The utilization of incidents database of offshore vessels with DPS are discussed. The most used alternatives of propulsive arrangement for shuttle tankers are presented and analyzed. Hydrodynamic interactions between hull-thruster, thruster-thruster and thruster-current are presented and commented. Tests with duct and azimuth propellers installed in scale models are presented. This work presents the design of the propulsive subsystem of a DPS shuttle tanker which operates in Brazilian waters. Thus, a design procedure is suggested with the following steps: a study of the operation points, definition of the design requirement, initial estimates, choice the propulsive arrangement by Analytic Hierarchy Process (AHP), reliability analysis of DPS by FMEA and performance evaluation. The performance evaluation of propulsive subsystem is evaluated by wind and current capability plots and dynamical simulations. A brief comparison of shuttle tankers with different classifications is performed and discussed.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma técnica de controle cooperativo aplicado para embarcações dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (sistema DP). Um caso ilustrativo é estudado: o lançamento de um equipamento submarino utilizando duas embarcações DP. Neste exemplo, o sistema cooperativo controla a distância relativa das duas embarcações DP. As vantagens deste método se da no aumento da janela operacional, na tensão no cabo de lançamento que pode ser reduzida pela metade, entre outras. Um mapeamento dinâmico foi obtido utilizando um simulador 2D simplificado previamente validado por comparação com testes experimentais e o simulador no domínio do tempo TPN Tanque de Provas Numérico. Nestes mapas, duas regiões foram definidas, de ocorrência e não ocorrência de afrouxamento nos cabos em função da distancia entre as embarcações, profundidade do equipamento submarino e período da onda. Este mapa definiu as posições desejadas das embarcações para cada profundidade do equipamento. Foi proposto um controle da posição relativa das embarcações tentando manter os movimentos do ponto de conexão em oposição de fase. Isto evita a ocorrência de afrouxamentos no cabo de lançamento. Para isso, um algoritmo baseado em estimação de fase (Transformada de Hilbert) associado a um controlador PD foi implementado. Os resultados mostraram que o controle para ondas regulares é efetivo. Adicionalmente, o controle de pagamento de linha recebe as medidas do movimento vertical do ponto de conexão, e compensa esse movimento, mantendo constante seu comprimento. O controle foi implementado considerando erros de 10% e atrasos de até 1,5s nas medidas. Os resultados confirmaram que o controle pode eliminar os picos de tensão e a ocorrência de afrouxamento no cabo de lançamento. A conclusão deste trabalho sugere que a estratégia apropriada do controle, considerando ondas regulares, é combinar o controle de posição e o controle de pagamento de linha. O controle de posição, acoplado ao mapeamento dinâmico, define um caminho ótimo a ser seguido durante o içamento do equipamento, tentando manter as embarcações próximas da região de não ocorrência de afrouxamentos. / This work presents the development of cooperative control technique applied to vessels equipped with dynamic positioning (DP) system. An illustrative case study is suggested: the launching of subsea equipment using two DP vessels. In this example, the cooperative system controls the relative distance between the DP vessels. One of the advantages of this method is the increase of operations safety and operational window, since, among other factors, the tension in the launching cable is reduced by half. Initially, it was proposed the control of vessels relative positions, trying to keep the connection point movements in counter-phase. This avoids the slackening of the launching cable. For this, an algorithm based on phase estimator (Hilbert transform) associated with a PD control was implemented. The results showed that for regular waves this strategy was effective. A dynamic mapping was then obtained using simplified 2D simulator, previously validated by comparison with experimental tests. In these maps, two regions are defined - occurrence or non-occurrence of cable slackening - as a function of the distance of the vessels and the depth of the subsea equipment. This map defines the proper set-point for the DP systems for each depth of the subsea equipment. This map is used to define the best relative position for the vessels. In addition, the hoisting control receives the measurements of the vertical motion of the connection point, and compensates its motion, trying to maintain a constant lowering velocity. This control was implemented considering errors of 10% and delay of 0.5s in the measurements. The results confirmed that the control is able to eliminate the tension peaks and the occurrence of slackening in the launching cable. The conclusion is that the appropriate control strategy, considering regular waves, is to combine the control of both position of the vessels and hoisting of the cable. Therefore the position control, coupled with dynamic mapping, defines the \"optimal path\" to be followed during the line hoisting, trying to keep the vessels as close as possible to the \"no slackening\" region.

As sintonias dos Controladores PID existentes em um Sistema de Posicionamento Dinâmico, utilizado em embarcações e plataformas a fim de manter uma posição fixa em alto-mar ou de realizar determinada manobra, sempre tem sido um desafio a ser vencido. Trata-se de uma tarefa demorada, dependente das condições ambientais e com um elevado custo financeiro, uma vez que as horas dedicadas do profissional habilitado são caras. Além disso, a embarcação deve-se manter estabilizada durante o período de tempo no qual determinada função é realizada, como por exemplo, perfuração, abastecimento, ou lançamento de dutos. Foi utilizado um software para simular o posicionamento de uma embarcação em alto-mar sob diversas condições de vento e correnteza, com o qual foi possível verificar a influência da sintonia dos parâmetros PID do Controlador no desempenho do sistema de controle. O Sistema dinâmico abordado possui um comportamento não linear e sujeito a fortes distúrbios não medidos, o que são apenas alguns exemplos de questões avaliadas deste trabalho. Neste contexto, foram projetadas Redes Neurais com o intuito de aprimorar a técnica utilizada para determinar os ganhos de um dos Controladores PID de um Sistema de Posicionamento Dinâmico. Os melhores resultados foram obtidos através da avaliação de desempenho de diversas simulações de Redes Neurais que revelam a viabilidade da implementação da sintonia automática de Controladores em Sistemas de Posicionamento Dinâmico. / The tuning of PID controllers of a Dynamic Positioning System used on vessels and platforms in order to maintain a fixed position in offshore or to perform a maneuver has always been a challenge to be overcome. It is a time consuming task, which depends on the environmental conditions and has a high financial cost, since the hours of dedicated qualified professional are expensive. In addition, the vessel must keep position during the period of time that the operation is performed, for example, drilling, supply or pipe launching. It was used a software to simulate the positioning of a vessel under different conditions of wind, wave and current conditions, and it was possible to verify the influence of the tuning parameters of PID controller in the control system performance. Some questions considered in this work are the non-linear behavior of the dynamic system studied and its sensibility to strong unmeasured disturbances. In this context, neural networks were designed to improve the technique used to determine the gains of the PID controllers of a Dynamic Positioning System. The best results were obtained through the performance evaluation from several simulations of neural networks that demonstrated the feasibility of implementation of automatic tuning procedures for the controllers of Dynamic Positioning System.

As sintonias dos Controladores PID existentes em um Sistema de Posicionamento Dinâmico, utilizado em embarcações e plataformas a fim de manter uma posição fixa em alto-mar ou de realizar determinada manobra, sempre tem sido um desafio a ser vencido. Trata-se de uma tarefa demorada, dependente das condições ambientais e com um elevado custo financeiro, uma vez que as horas dedicadas do profissional habilitado são caras. Além disso, a embarcação deve-se manter estabilizada durante o período de tempo no qual determinada função é realizada, como por exemplo, perfuração, abastecimento, ou lançamento de dutos. Foi utilizado um software para simular o posicionamento de uma embarcação em alto-mar sob diversas condições de vento e correnteza, com o qual foi possível verificar a influência da sintonia dos parâmetros PID do Controlador no desempenho do sistema de controle. O Sistema dinâmico abordado possui um comportamento não linear e sujeito a fortes distúrbios não medidos, o que são apenas alguns exemplos de questões avaliadas deste trabalho. Neste contexto, foram projetadas Redes Neurais com o intuito de aprimorar a técnica utilizada para determinar os ganhos de um dos Controladores PID de um Sistema de Posicionamento Dinâmico. Os melhores resultados foram obtidos através da avaliação de desempenho de diversas simulações de Redes Neurais que revelam a viabilidade da implementação da sintonia automática de Controladores em Sistemas de Posicionamento Dinâmico. / The tuning of PID controllers of a Dynamic Positioning System used on vessels and platforms in order to maintain a fixed position in offshore or to perform a maneuver has always been a challenge to be overcome. It is a time consuming task, which depends on the environmental conditions and has a high financial cost, since the hours of dedicated qualified professional are expensive. In addition, the vessel must keep position during the period of time that the operation is performed, for example, drilling, supply or pipe launching. It was used a software to simulate the positioning of a vessel under different conditions of wind, wave and current conditions, and it was possible to verify the influence of the tuning parameters of PID controller in the control system performance. Some questions considered in this work are the non-linear behavior of the dynamic system studied and its sensibility to strong unmeasured disturbances. In this context, neural networks were designed to improve the technique used to determine the gains of the PID controllers of a Dynamic Positioning System. The best results were obtained through the performance evaluation from several simulations of neural networks that demonstrated the feasibility of implementation of automatic tuning procedures for the controllers of Dynamic Positioning System.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma técnica de controle cooperativo aplicado para embarcações dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (sistema DP). Um caso ilustrativo é estudado: o lançamento de um equipamento submarino utilizando duas embarcações DP. Neste exemplo, o sistema cooperativo controla a distância relativa das duas embarcações DP. As vantagens deste método se da no aumento da janela operacional, na tensão no cabo de lançamento que pode ser reduzida pela metade, entre outras. Um mapeamento dinâmico foi obtido utilizando um simulador 2D simplificado previamente validado por comparação com testes experimentais e o simulador no domínio do tempo TPN Tanque de Provas Numérico. Nestes mapas, duas regiões foram definidas, de ocorrência e não ocorrência de afrouxamento nos cabos em função da distancia entre as embarcações, profundidade do equipamento submarino e período da onda. Este mapa definiu as posições desejadas das embarcações para cada profundidade do equipamento. Foi proposto um controle da posição relativa das embarcações tentando manter os movimentos do ponto de conexão em oposição de fase. Isto evita a ocorrência de afrouxamentos no cabo de lançamento. Para isso, um algoritmo baseado em estimação de fase (Transformada de Hilbert) associado a um controlador PD foi implementado. Os resultados mostraram que o controle para ondas regulares é efetivo. Adicionalmente, o controle de pagamento de linha recebe as medidas do movimento vertical do ponto de conexão, e compensa esse movimento, mantendo constante seu comprimento. O controle foi implementado considerando erros de 10% e atrasos de até 1,5s nas medidas. Os resultados confirmaram que o controle pode eliminar os picos de tensão e a ocorrência de afrouxamento no cabo de lançamento. A conclusão deste trabalho sugere que a estratégia apropriada do controle, considerando ondas regulares, é combinar o controle de posição e o controle de pagamento de linha. O controle de posição, acoplado ao mapeamento dinâmico, define um caminho ótimo a ser seguido durante o içamento do equipamento, tentando manter as embarcações próximas da região de não ocorrência de afrouxamentos. / This work presents the development of cooperative control technique applied to vessels equipped with dynamic positioning (DP) system. An illustrative case study is suggested: the launching of subsea equipment using two DP vessels. In this example, the cooperative system controls the relative distance between the DP vessels. One of the advantages of this method is the increase of operations safety and operational window, since, among other factors, the tension in the launching cable is reduced by half. Initially, it was proposed the control of vessels relative positions, trying to keep the connection point movements in counter-phase. This avoids the slackening of the launching cable. For this, an algorithm based on phase estimator (Hilbert transform) associated with a PD control was implemented. The results showed that for regular waves this strategy was effective. A dynamic mapping was then obtained using simplified 2D simulator, previously validated by comparison with experimental tests. In these maps, two regions are defined - occurrence or non-occurrence of cable slackening - as a function of the distance of the vessels and the depth of the subsea equipment. This map defines the proper set-point for the DP systems for each depth of the subsea equipment. This map is used to define the best relative position for the vessels. In addition, the hoisting control receives the measurements of the vertical motion of the connection point, and compensates its motion, trying to maintain a constant lowering velocity. This control was implemented considering errors of 10% and delay of 0.5s in the measurements. The results confirmed that the control is able to eliminate the tension peaks and the occurrence of slackening in the launching cable. The conclusion is that the appropriate control strategy, considering regular waves, is to combine the control of both position of the vessels and hoisting of the cable. Therefore the position control, coupled with dynamic mapping, defines the \"optimal path\" to be followed during the line hoisting, trying to keep the vessels as close as possible to the \"no slackening\" region.

The objective of this thesis is to identify, which hazards and failures in operation process will affect Reliability, Availability, Maintainability and Safety of floating offshore structures. The focus is on Dynamic Positioning (DP) system that has the responsibility of keeping the offshore structure in the upright position operation. DP system is one of the most critical subsystems on these types of structures in terms of safety of operation and failure risk costs. Reliability of the system in this thesis has been analyzed in qualitative and quantitativeb methods. In qualitative method to find the effective parameters on the reliability of the DPb system, Reliability Centered Maintenance (RCM ) and its application as a main tool have been used. To achieve the aim it has been tried to define the events and accidents which could be generated by the identified hazards then tried to determine the consequences of the realized accidents. In this step three categories are taken in to account including, safety, operation, and equipment. Next phase should be concentrated on considering and analyzing the relevant processes and the root causes which result in the identified hazard. After clarifying all probable root causes it has been tried to prioritize the root causes and specifying the necessary preventive actions. The aim of this step is either decreasing the occurrence of root causes or increasing the detectability of hazards. In the last part quantitative method has been used to measure the amounts of Reliability, Availability and Maintainability of the system, based on MTBF and MTTR of different components of the system and it has been tried to present the solutions to improve system reliability based on components RCM tables. Further, assuming DP system as human- machine system safety assessment has been included to indicate human factors in the reliability of the system beside probable failure of the components of the system.

Nos últimos anos, tem se intensificado o desenvolvimento de novas tecnologias para serem aplicadas à veículos submersíveis não tripulados. Uma delas é a visão computacional, que tem o objetivo de extrair informações úteis das imagens captadas do ambiente, podendo ser utilizada como um sensor para o posicionamento do veículo, além de contribuir para o reconhecimento automático de objetos a serem inspecionados. A finalidade de um veículo submersível não tripulado é efetuar missões de inspeções ou pequenos reparos em estruturas submersas em meios oceânicos ou fluviais. Nessas operações, é importante que o veículo possua um controle autônomo, por meio de um sistema de posicionamento dinâmico, para facilitar a sua operação e garantir o sucesso da missão. Em função destas necessidades, este trabalho concentra-se no desenvolvimento de um sistema de visão computacional auxiliado por ponteiros de raio laser, que geram marcos visuais artificiais em ambientes não estruturados, possibilitando medir distâncias e ângulo de aproamento baseado no método da triangulação. Foram testados lasers com diferentes comprimentos de onda, em ambiente aéreo e subaquático, com diferentes índices de turbidez, nível de luminosidade e distância. Baseado nos resultados e utilizando o sistema de visão e laser como método de sensoriamento, foi projetado e implantado um sistema de posicionamento dinâmico para o plano horizontal, utilizando Filtro de Kalman. A avaliação do sistema de posicionamento dinâmico e do método de sensoriamento foi realizada por meio de simulação numérica e averiguação experimental, utilizando-se um modelo reduzido de um veículo de superfície no laboratório do Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Os resultados experimentais indicaram a viabilidade da aplicação do método de sensoriamento baseado em visão computacional e laser para sistemas de posicionamento dinâmico, mostrando-se um método simples, confiável, ativo e independente. / The development of new technologies to improve unmanned underwater vehicles has recently intensified. Computer vision, one such example, has the objective of extracting useful information from images captured in the environment; this information can facilitate vehicle positioning and the reconnaissance of objects to be inspected. Purposes of unmanned underwater vehicles include inspection missions and small repairs in underwater structures located in oceans or rivers. For these operations it is important for the vehicle to have an autonomous control system using dynamic positioning system to facilitate its operation and to guarantee the missions success. Given these necessities, this study concentrates on the development of a computer vision system supported by laser pointing devices that generate artificial landmarks in non-structured environments, facilitating distance and angle measurement based on the triangulation method. Lasers of different wavelengths were tested in air and underwater environments, where the latter had different indices of turbidity, levels of luminosity, and distance. Based on the results and utilizing the system of vision and laser as a sensor method, a dynamic positioning system for the horizontal plane has been created through the use of Extended Kalman Filter. The evaluation of this dynamic positioning system and of the sensor method was accomplished through numeric simulation and experimental checks using a reduced model of a surface vehicle, located in the University of São Paulos Department of Naval and Oceanic Engineering. The experimental results show that the application of the sensor method based on laser and computer vision for the dynamic positioning system is viable and proved to be an independent, active, reliable, and simple method.

O presente trabalho aborda três tópicos de pesquisa e desenvolvimento em Sistemas de Posicionamento Dinâmico (SPD). Desenvolveu-se uma nova metodologia para o projeto de controlador de posição e aproamento baseada na teoria de controle robusto não-linear por modos deslizantes. O controlador integra uma malha de compensação direta dos esforços ambientais (ondas, vento e correnteza) a uma malha de realimentação que realiza correções de erros residuais. A estrutura não-linear do controlador assegura o desempenho e estabilidade para qualquer aproamento da embarcação. A malha de compensação direta, por sua vez, garante maior faixa de aplicabilidade em termos de condições ambientais, não apresentando degradação de desempenho em condições extremas. A malha de realimentação possui apenas nove parâmetros, existindo equações e regras que tornam suas calibrações simples. Já a malha de compensação direta possui, internamente, modelos para a estimativa das forças ambientais que agem sobre o navio. Graças às características de robustez, o controlador não requer um ajuste refinado dos diversos parâmetros destes modelos e das condições ambientais, podendo-se utilizar estimativas pouco acuradas dos mesmos. O controlador desenvolvido foi testado em simuladores computacionais do VLCC Vidal de Negreiros amarrado pelo sistema turret e de uma barcaça de lançamento de dutos, ambos contendo modelos validados dos esforços ambientais. As simulações emularam erros de modelagem e de estimação das condições ambientais, e confirmaram as boas características de robustez e desempenho do controlador em diversas condições e a facilidade no ajuste de parâmetros. Desenvolveu-se também um modo de controle apropriado para operações com liberdade de aproamento realizadas na Bacia de Campos, onde é comum a incidência de agentes ambientais em direções não alinhadas. Neste modo calcula-se, baseado nas estimativas das condições ambientais, o aproamento que minimiza um funcional relacionando parâmetros operacionais relevantes, como movimento de roll, tração dinâmica em risers, solicitação do sistema de amarração e consumo de combustível. Uma análise numérica de sensibilidade, aplicada ao VLCC Vidal de Negreiros, indicou que o cálculo do aproamento ótimo não apresenta elevada sensibilidade a erros nas estimativas das condições ambientais em condições extremas. Testes numéricos comprovaram também a superioridade do presente modo de controle comparado ao tradicional modo Weather vane nas condições da Bacia de Campos. Como a estimação do espectro de ondas incidentes ainda apresenta problemas técnicos e operacionais, desenvolveu-se também um método de estimação do espectro baseado na medição dos movimentos da embarcação. Utilizou-se uma abordagem paramétrica, cuja sensibilidade a erros no conhecimento da resposta dinâmica da embarcação mostrou-se aceitável. O método foi testado numericamente e validado com resultados de ensaios em tanque de provas. Os erros de estimação foram plenamente compatíveis aos erros admissíveis pelo controlador desenvolvido, alcançando, no caso da altura significativa, o valor máximo de 25%. O método foi comparado à abordagem não paramétrica Bayesiana, muito utilizada em trabalhos correlatos, e apresentou resultados mais acurados. / The present work deals with three research and development topics related to Dynamic Positioning Systems. A new design methodology of ship position and heading controller was developed, based on the robust and nonlinear Sliding Mode Control theory. The controller contains a feedforward action, which compensates environmental forces (wind, waves and current) and a feedback loop, responsible for the elimination of residual errors. The nonlinear formulation of the controller assures performance and stability requirements for all heading angles. The feedforward action guarantees its applicability in a large range of environmental conditions, without performance degradation in severe conditions. The feedback loop contains only nine parameters, which can be calibrated easily by simple equations. The feedforward loop internally contains models for the estimation of the environmental forces acting on the ship. However, due to robustness properties, the controller does not require a fine adjustment of its several parameters and the environmental conditions, allowing the use of non-accurate estimates. The controller was tested in computational simulators of the turret moored VLCC Vidal de Negreiros and of a pipe-laying barge, both comprising validated models of environmental forces. The simulations emulated modeling and environmental conditions estimation errors, confirming the good robustness and performance properties of the controller in several environmental conditions and the simple parameter adjusting process. A control mode adapted for heading-free operations in Campos Basin was also developed, where non-aligned environmental agents frequently happen. In this mode, it is calculated the optimal heading that minimizes a functional relating important operational parameters, such as roll motion, risers dynamic tension, mooring system forces and energy consumption. Estimations of environmental conditions are used in the calculation. However, a numerical sensibility analysis of this control mode applied to the VLCC Vidal de Negreiros indicated that the optimal heading calculation presents low sensibility to errors in these estimations under severe environmental conditions. Numerical trials showed that this control mode is more adequate to Campos Basin conditions compared to the traditional Weather vane mode. Since wave spectrum estimation still presents technical and operational problems, a spectrum estimation method was also developed, based on measurements of ship motions. A parametric method was used, which presented low sensitivity to errors in ship dynamic response functions. The method was numerically tested and validated through towing tank tests. Estimation errors were compatible to the controller admissible errors. For example, the maximum error in significant wave height estimation was 25%, smaller than the errors usually obtained using the non-parametric Bayesian method, widely applied for this class of problems.

O presente trabalho aborda três tópicos de pesquisa e desenvolvimento em Sistemas de Posicionamento Dinâmico (SPD). Desenvolveu-se uma nova metodologia para o projeto de controlador de posição e aproamento baseada na teoria de controle robusto não-linear por modos deslizantes. O controlador integra uma malha de compensação direta dos esforços ambientais (ondas, vento e correnteza) a uma malha de realimentação que realiza correções de erros residuais. A estrutura não-linear do controlador assegura o desempenho e estabilidade para qualquer aproamento da embarcação. A malha de compensação direta, por sua vez, garante maior faixa de aplicabilidade em termos de condições ambientais, não apresentando degradação de desempenho em condições extremas. A malha de realimentação possui apenas nove parâmetros, existindo equações e regras que tornam suas calibrações simples. Já a malha de compensação direta possui, internamente, modelos para a estimativa das forças ambientais que agem sobre o navio. Graças às características de robustez, o controlador não requer um ajuste refinado dos diversos parâmetros destes modelos e das condições ambientais, podendo-se utilizar estimativas pouco acuradas dos mesmos. O controlador desenvolvido foi testado em simuladores computacionais do VLCC Vidal de Negreiros amarrado pelo sistema turret e de uma barcaça de lançamento de dutos, ambos contendo modelos validados dos esforços ambientais. As simulações emularam erros de modelagem e de estimação das condições ambientais, e confirmaram as boas características de robustez e desempenho do controlador em diversas condições e a facilidade no ajuste de parâmetros. Desenvolveu-se também um modo de controle apropriado para operações com liberdade de aproamento realizadas na Bacia de Campos, onde é comum a incidência de agentes ambientais em direções não alinhadas. Neste modo calcula-se, baseado nas estimativas das condições ambientais, o aproamento que minimiza um funcional relacionando parâmetros operacionais relevantes, como movimento de roll, tração dinâmica em risers, solicitação do sistema de amarração e consumo de combustível. Uma análise numérica de sensibilidade, aplicada ao VLCC Vidal de Negreiros, indicou que o cálculo do aproamento ótimo não apresenta elevada sensibilidade a erros nas estimativas das condições ambientais em condições extremas. Testes numéricos comprovaram também a superioridade do presente modo de controle comparado ao tradicional modo Weather vane nas condições da Bacia de Campos. Como a estimação do espectro de ondas incidentes ainda apresenta problemas técnicos e operacionais, desenvolveu-se também um método de estimação do espectro baseado na medição dos movimentos da embarcação. Utilizou-se uma abordagem paramétrica, cuja sensibilidade a erros no conhecimento da resposta dinâmica da embarcação mostrou-se aceitável. O método foi testado numericamente e validado com resultados de ensaios em tanque de provas. Os erros de estimação foram plenamente compatíveis aos erros admissíveis pelo controlador desenvolvido, alcançando, no caso da altura significativa, o valor máximo de 25%. O método foi comparado à abordagem não paramétrica Bayesiana, muito utilizada em trabalhos correlatos, e apresentou resultados mais acurados. / The present work deals with three research and development topics related to Dynamic Positioning Systems. A new design methodology of ship position and heading controller was developed, based on the robust and nonlinear Sliding Mode Control theory. The controller contains a feedforward action, which compensates environmental forces (wind, waves and current) and a feedback loop, responsible for the elimination of residual errors. The nonlinear formulation of the controller assures performance and stability requirements for all heading angles. The feedforward action guarantees its applicability in a large range of environmental conditions, without performance degradation in severe conditions. The feedback loop contains only nine parameters, which can be calibrated easily by simple equations. The feedforward loop internally contains models for the estimation of the environmental forces acting on the ship. However, due to robustness properties, the controller does not require a fine adjustment of its several parameters and the environmental conditions, allowing the use of non-accurate estimates. The controller was tested in computational simulators of the turret moored VLCC Vidal de Negreiros and of a pipe-laying barge, both comprising validated models of environmental forces. The simulations emulated modeling and environmental conditions estimation errors, confirming the good robustness and performance properties of the controller in several environmental conditions and the simple parameter adjusting process. A control mode adapted for heading-free operations in Campos Basin was also developed, where non-aligned environmental agents frequently happen. In this mode, it is calculated the optimal heading that minimizes a functional relating important operational parameters, such as roll motion, risers dynamic tension, mooring system forces and energy consumption. Estimations of environmental conditions are used in the calculation. However, a numerical sensibility analysis of this control mode applied to the VLCC Vidal de Negreiros indicated that the optimal heading calculation presents low sensibility to errors in these estimations under severe environmental conditions. Numerical trials showed that this control mode is more adequate to Campos Basin conditions compared to the traditional Weather vane mode. Since wave spectrum estimation still presents technical and operational problems, a spectrum estimation method was also developed, based on measurements of ship motions. A parametric method was used, which presented low sensitivity to errors in ship dynamic response functions. The method was numerically tested and validated through towing tank tests. Estimation errors were compatible to the controller admissible errors. For example, the maximum error in significant wave height estimation was 25%, smaller than the errors usually obtained using the non-parametric Bayesian method, widely applied for this class of problems.