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.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Major Telecomunicações. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

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 a aplicação da teoria de controle robusto não linear por modos deslizantes a sistemas de posicionamento dinâmico para embarcações flutuantes, com validação experimental. O objetivo do sistema de controle projetado é manter a embarcação próxima a uma posição pré-ajustada (set-point) ou a uma trajetória preestabelecida (pathfollowing), por meio das forças geradas nos propulsores, mesmo estando o sistema na presença de distúrbios externos, ou seja, vento, ondas e correnteza. A princípio, realizaram-se simulações numéricas com o sistema projetado a fim de verificar o seu desempenho. O simulador utilizado foi implementado em ambiente Matlab/Simulink, considerando a dinâmica da embarcação e dos agentes ambientais. As simulações consistiram de manobras realizadas em condições nominais e na ausência de esforços ambientais, com embarcação cheia (plena) e vazia (lastro). Para validação do algoritmo implementado realizaram-se ensaios de manobra em condição de calmaria e na presença de vento, com a embarcação em plena carga e vazia. Os ensaios foram administrados no laboratório do Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da USP (DENO). O algoritmo de controle por modos deslizantes demonstrou-se robusto a variações de condições ambientais (vento), mantendo o desempenho e estabilidade. Verificou-se que o ajuste dos parâmetros do controlador pode ser feito de forma intuitiva, utilizando-se fórmulas matemáticas. Além disso, a estrutura não linear do controlador e suas propriedades de robustez asseguram o desempenho e estabilidade para uma grande gama de condições ambientais e manobras realizadas com a embarcação. / This paper presents the application of the robust and nonlinear sliding mode control theory to the dynamic positioning systems for floating vessel, with experimental validation. The objective of the control system designed is to keep the vessel next a specific position (set-point) or follow a pre-defined trajectory (pathfollowing) through the action of propellers, in the presence of wind, waves and current external disturbances. In principle numerical simulations were carried out with the system designed to verify its performance. The simulator used was implemented in a Matlab / Simulink, considering the dynamics of the vessel and environmental agents. The simulations consisted of maneuvers carried out in nominal condition and in the absence of environmental efforts, with the vessel full and empty (ballasted). In order to validate the algorithm, small scale experiments were done, considering maneuvers in both calm and windy conditions, with the vessel at full or ballasted load. The tests were conducted at the laboratory of the Naval and Ocean Engineering Department (DENO) of the University of São Paulo. The sliding mode control was robust to variations in environmental conditions (wind), keeping the performance and stability. It was verified that the adjustment of controller parameters can be easily done, using mathematical equations. Moreover, the nonlinear structure of the controller and its robustness properties ensure the performance and stability for a large range of environmental conditions and maneuvers carried out with the vessel.

Este trabalho aborda o estudo de um sistema de referência inercial de posição e atitude e um sistema de controle para um helicóptero autônomo utilizando, como base para formulação e testes, o modelo linearizado da aeronave Yamaha R-MAX. Um sistema de referência inercial (INS) e um sistema de referência de atitude e orientação (AHRS) são utilizados para estimar a posição e atitude da aeronave, e estimadores robustos baseados no filtro de Kalman são empregados para minimizar os efeitos de incertezas paramétricas. É utilizada uma estratégia de controle em cascata com três malhas consistindo de uma malha interna para garantir a estabilidade do helicóptero (são utilizadas as técnicas LQR e H \'INFINITO\', separadamente), uma malha intermediária baseada em linearização por realimentação (FLC) para desacoplar os pares entrada/saída e uma malha externa baseada em um controlador proporcional-derivativo (PD) para permitir o rastreamento da trajetória. Resultados de simulação são apresentados para avaliar o desempenho de cada abordagem. / This work concerns the study of an inertial reference system and a control system for an autonomous helicopter using, as basis for the formulation and testing, the linearized mo del of the aircraft Yamaha R-MAX. An inertial navigation system (INS) and an attitude and orientation reference system (AHRS) are used to estimate the position and attitude of the aircraft and robust estimators based on Kalman filter are employed to minimize the effects of parametric uncertainties. A cascaded control architecture with three control methodologies is used, consisting of an inner-loop to ensure stability of the helicopter (the LQR and H \'INFINITE\' techniques are used, separately), a mid-loop based on linearization feedback (FLC) to decouple the dynamics ofthe lateral, longitudinal, vertical and heading axes and an outer-loop based on a proportional-derivative (PD) controller to enable trajectory tracking. Simulation results are presented to evaluate the performance of each approach.

Este trabalho apresenta a aplicação da teoria de controle robusto não linear por modos deslizantes a sistemas de posicionamento dinâmico para embarcações flutuantes, com validação experimental. O objetivo do sistema de controle projetado é manter a embarcação próxima a uma posição pré-ajustada (set-point) ou a uma trajetória preestabelecida (pathfollowing), por meio das forças geradas nos propulsores, mesmo estando o sistema na presença de distúrbios externos, ou seja, vento, ondas e correnteza. A princípio, realizaram-se simulações numéricas com o sistema projetado a fim de verificar o seu desempenho. O simulador utilizado foi implementado em ambiente Matlab/Simulink, considerando a dinâmica da embarcação e dos agentes ambientais. As simulações consistiram de manobras realizadas em condições nominais e na ausência de esforços ambientais, com embarcação cheia (plena) e vazia (lastro). Para validação do algoritmo implementado realizaram-se ensaios de manobra em condição de calmaria e na presença de vento, com a embarcação em plena carga e vazia. Os ensaios foram administrados no laboratório do Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da USP (DENO). O algoritmo de controle por modos deslizantes demonstrou-se robusto a variações de condições ambientais (vento), mantendo o desempenho e estabilidade. Verificou-se que o ajuste dos parâmetros do controlador pode ser feito de forma intuitiva, utilizando-se fórmulas matemáticas. Além disso, a estrutura não linear do controlador e suas propriedades de robustez asseguram o desempenho e estabilidade para uma grande gama de condições ambientais e manobras realizadas com a embarcação. / This paper presents the application of the robust and nonlinear sliding mode control theory to the dynamic positioning systems for floating vessel, with experimental validation. The objective of the control system designed is to keep the vessel next a specific position (set-point) or follow a pre-defined trajectory (pathfollowing) through the action of propellers, in the presence of wind, waves and current external disturbances. In principle numerical simulations were carried out with the system designed to verify its performance. The simulator used was implemented in a Matlab / Simulink, considering the dynamics of the vessel and environmental agents. The simulations consisted of maneuvers carried out in nominal condition and in the absence of environmental efforts, with the vessel full and empty (ballasted). In order to validate the algorithm, small scale experiments were done, considering maneuvers in both calm and windy conditions, with the vessel at full or ballasted load. The tests were conducted at the laboratory of the Naval and Ocean Engineering Department (DENO) of the University of São Paulo. The sliding mode control was robust to variations in environmental conditions (wind), keeping the performance and stability. It was verified that the adjustment of controller parameters can be easily done, using mathematical equations. Moreover, the nonlinear structure of the controller and its robustness properties ensure the performance and stability for a large range of environmental conditions and maneuvers carried out with the vessel.

O conceito de controle híbrido é aplicado à operação de alívio entre um FPWSO e um navio aliviador. Ambos os navios mantêm suas posições e aproamentos pelo resultado da ação do seu Sistema de Posicionamento Dinâmico (SPD). O alívio dura cerca de 24 horas para ser concluído. Durante este período, o estado de mar pode se alterar e os calados estão sendo constantemente alterados. Um controlador híbrido é projetado para permitir modificacões dos parâmetros de controle/observação se alguma alteração significante do estado de mar e/ou calado das embarcações ocorrer. O principal objetivo dos controladores é manter o posicionamento relativo entre os navios com o intuito de evitar perigosa proximidade ou excesso de tensão no cabo. Com isto em mente, uma nova estratégia de controle que atue integradamente em ambos os navios é proposta baseda em geometria diferencial. Observadores não lineares baseados em passividade são aplicados para estimar a posição, a velocidade e as forças externas de mares calmos até extremos. O critério para troca do controle/observação é baseado na variação do calado e no estado de mar. O calado é assumido conhecido e o estado de mar é estimado pela frequência de pico do espectro do movimento de primeira ordem dos navios. Um modelo de perturbação é proposto para encontrar o número de controladores do sistema híbrido. A equivalência entre o controle geométrico e o controlador baseado em Multiplicadores de Lagrange é demonstrada. Assumindo algumas hipóteses, a equivalência entre os controladores geométrico e o PD é também apresentada. O desempenho da nova estratégia é avaliada por meio de simulações numéricas e comparada a um controlador PD. Os resultados apresentam muito bom desempenho em função do objetivo proposto. A comparação entre a abordagem geométrica e o controlador PD aponta um desempenho muito parecido entre eles. / The hybrid control concept is applied to the offoading operation by means of a Floating, Production, Working, Storage and Offoading (FPWSO) vessel and a Shuttle Tanker (ST). Both vessels are able to maintain their position and heading as a result of the Dynamic Positioning System (DPS). The vessels are in tandem configuration connected by a hawser. The offloading operation lasts approximately 24 hours. During this period, the sea condition may change and the drafts are being constantly altered. Hybrid controller is designed to permit modification of the controller/observer parameters should a significant sea state alteration and/or draft variation occur. The main goal of the controllers is to maintain relative positioning between vessels in order to avoid dangerous proximity or excessive hawser tension. With that in mind, a new control strategy is proposed based on dierential geometry that acts integrally in both vessels. Nonlinear observers based on passivity are used to estimate position, velocity and external force ranging from calm to extreme seas. The criterion for changing the controller/observer law is based on draft and sea state. The draft is assumed to be known and sea state is estimated by tracking the peak-frequency of the first-order vessel motion spectrum. A perturbation-based model is proposed to find the number of hybrid system controllers. The equivalence between the geometric control approach and the Lagrange Multiplier (LM) - based control is demonstrated. Taking some assumptions as given, the equivalence between geometric and PD-like controllers is regarded as having also been demonstrated. The performance of the new strategy is assessed by means of numerical simulations and compared to a Proportional-Derivative (PD)-like control. The results present a very good performance as regards the proposed main goal. Result comparison of the geometric approach and the PD-like control shows very similar behavior between geometric and PD-like controllers.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Este trabalho aborda o estudo de um sistema de referência inercial de posição e atitude e um sistema de controle para um helicóptero autônomo utilizando, como base para formulação e testes, o modelo linearizado da aeronave Yamaha R-MAX. Um sistema de referência inercial (INS) e um sistema de referência de atitude e orientação (AHRS) são utilizados para estimar a posição e atitude da aeronave, e estimadores robustos baseados no filtro de Kalman são empregados para minimizar os efeitos de incertezas paramétricas. É utilizada uma estratégia de controle em cascata com três malhas consistindo de uma malha interna para garantir a estabilidade do helicóptero (são utilizadas as técnicas LQR e H \'INFINITO\', separadamente), uma malha intermediária baseada em linearização por realimentação (FLC) para desacoplar os pares entrada/saída e uma malha externa baseada em um controlador proporcional-derivativo (PD) para permitir o rastreamento da trajetória. Resultados de simulação são apresentados para avaliar o desempenho de cada abordagem. / This work concerns the study of an inertial reference system and a control system for an autonomous helicopter using, as basis for the formulation and testing, the linearized mo del of the aircraft Yamaha R-MAX. An inertial navigation system (INS) and an attitude and orientation reference system (AHRS) are used to estimate the position and attitude of the aircraft and robust estimators based on Kalman filter are employed to minimize the effects of parametric uncertainties. A cascaded control architecture with three control methodologies is used, consisting of an inner-loop to ensure stability of the helicopter (the LQR and H \'INFINITE\' techniques are used, separately), a mid-loop based on linearization feedback (FLC) to decouple the dynamics ofthe lateral, longitudinal, vertical and heading axes and an outer-loop based on a proportional-derivative (PD) controller to enable trajectory tracking. Simulation results are presented to evaluate the performance of each approach.