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.

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.

O uso crescente de dispositivos móveis e o advento da Internet das Coisas têm demandado esforços para prover alternativas de comunicação sem fio. A utilização de sistemas óticos para a transmissão de dados apresenta-se como uma tecnologia promissora e complementar à comunicação por radiofrequência, especialmente devido aos desenvolvimentos consideráveis na tecnologia de iluminação por estado sólido e sua adoção em vários domínios. Os diodos de emissão de luz podem ser utilizados na promoção de comunicação por luz visível em ambientes internos e externos. Nos ambientes externos há inúmeras oportunidades a serem exploradas no que concerne aos Sistemas Inteligentes de Transporte, visto que os diodos de emissão de luz têm sido utilizados em luminárias públicas, semáforos e veículos. Esta pesquisa propôs o desenvolvimento e a avaliação de um sistema de comunicação por luz visível entre elementos da infraestrutura urbana e veículos, mais especificamente, luminárias públicas baseadas em diodos de emissão de luz e o modal de transporte público representado pelos ônibus que circulam em faixas exclusivas. A metodologia foi composta por simulação computacional e pela construção de um protótipo para auxiliar na validação das soluções propostas. O sistema complementar de comunicação sem fio por meio da luz proposto fornece pode fornecer subsídios à determinação do posicionamento preciso dos ônibus, suprindo as deficiências do sistema GPS em locais menos favoráveis à recepção de seus sinais em uma cidade. Essas informações auxiliam os usuários e os gestores do transporte público, atendendo alguns domínios de serviço em Sistemas Inteligentes de Transporte, de acordo com a norma ISO 14813. Os resultados obtidos nos testes com o protótipo, bem como, aqueles observados na simulação, comprovaram a viabilidade do sistema proposto, com o estabelecimento da comunicação entre luminária e ônibus, inclusive quando trafegando a 60 km/h. / The increasing use of mobile devices and the advent of the Internet of Things have called for efforts to provide alternatives for wireless communication. The use of optical systems for data transmission is a promising and complementary technology to radiofrequency communication, especially due to the considerable developments in solidstate lighting technology and its adoption in various domains. Light-emitting diodes can be used to promote visible light communication in indoor and outdoor environments. In outdoor environments there are numerous opportunities to be explored with regard to Intelligent Transport Systems, since light-emitting diodes have been used in public luminaires, traffic lights and vehicles. This research proposed the development and evaluation of a visible light communication system between elements of the urban infrastructure and vehicles, more specifically, public luminaires based on light-emitting diodes and the mode of public transport represented by buses that circulate in exclusive lanes. The methodology was composed by computational simulation and the construction of a prototype, to assist in the validation of the proposed solutions. The proposed complementary wireless communication system through light provides subsidies to determine the precise positioning of buses, supplying deficiencies of the GPS system in places less favorable to the reception of their signals in a city. This information helps the users and the managers of the public transport, attending some service domains in Intelligent Transport Systems, according to the ISO 14813 standard. The results obtained in the tests with the prototype, as well as those observed in the simulation, proved the feasibility of the proposed system, with the establishment of communication between luminaire and bus, even when traveling at 60 km/h.

O uso crescente de dispositivos móveis e o advento da Internet das Coisas têm demandado esforços para prover alternativas de comunicação sem fio. A utilização de sistemas óticos para a transmissão de dados apresenta-se como uma tecnologia promissora e complementar à comunicação por radiofrequência, especialmente devido aos desenvolvimentos consideráveis na tecnologia de iluminação por estado sólido e sua adoção em vários domínios. Os diodos de emissão de luz podem ser utilizados na promoção de comunicação por luz visível em ambientes internos e externos. Nos ambientes externos há inúmeras oportunidades a serem exploradas no que concerne aos Sistemas Inteligentes de Transporte, visto que os diodos de emissão de luz têm sido utilizados em luminárias públicas, semáforos e veículos. Esta pesquisa propôs o desenvolvimento e a avaliação de um sistema de comunicação por luz visível entre elementos da infraestrutura urbana e veículos, mais especificamente, luminárias públicas baseadas em diodos de emissão de luz e o modal de transporte público representado pelos ônibus que circulam em faixas exclusivas. A metodologia foi composta por simulação computacional e pela construção de um protótipo para auxiliar na validação das soluções propostas. O sistema complementar de comunicação sem fio por meio da luz proposto fornece pode fornecer subsídios à determinação do posicionamento preciso dos ônibus, suprindo as deficiências do sistema GPS em locais menos favoráveis à recepção de seus sinais em uma cidade. Essas informações auxiliam os usuários e os gestores do transporte público, atendendo alguns domínios de serviço em Sistemas Inteligentes de Transporte, de acordo com a norma ISO 14813. Os resultados obtidos nos testes com o protótipo, bem como, aqueles observados na simulação, comprovaram a viabilidade do sistema proposto, com o estabelecimento da comunicação entre luminária e ônibus, inclusive quando trafegando a 60 km/h. / The increasing use of mobile devices and the advent of the Internet of Things have called for efforts to provide alternatives for wireless communication. The use of optical systems for data transmission is a promising and complementary technology to radiofrequency communication, especially due to the considerable developments in solidstate lighting technology and its adoption in various domains. Light-emitting diodes can be used to promote visible light communication in indoor and outdoor environments. In outdoor environments there are numerous opportunities to be explored with regard to Intelligent Transport Systems, since light-emitting diodes have been used in public luminaires, traffic lights and vehicles. This research proposed the development and evaluation of a visible light communication system between elements of the urban infrastructure and vehicles, more specifically, public luminaires based on light-emitting diodes and the mode of public transport represented by buses that circulate in exclusive lanes. The methodology was composed by computational simulation and the construction of a prototype, to assist in the validation of the proposed solutions. The proposed complementary wireless communication system through light provides subsidies to determine the precise positioning of buses, supplying deficiencies of the GPS system in places less favorable to the reception of their signals in a city. This information helps the users and the managers of the public transport, attending some service domains in Intelligent Transport Systems, according to the ISO 14813 standard. The results obtained in the tests with the prototype, as well as those observed in the simulation, proved the feasibility of the proposed system, with the establishment of communication between luminaire and bus, even when traveling at 60 km/h.

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.

Neste trabalho apresentamos a construção e teste de um sistema experimental que nos permite produzir um fluxo intenso de átomos lentos. Discutimos o desenho e construção do solenóide que compensa o efeito Doppler que surge durante o processo de desaceleração, as câmaras de vácuo, o forno que gera o feixe atômico e o sistema ótico utilizado. Estudamos a técnica de desaceleração de átomos pelo ajuste Zeeman. Uma nova técnica de observação que consiste no acompanhamento da fluorescência do feixe ao longo do caminho de desaceleração é usada, o que nos permite uma observação direta do processo. / This work presents the development and test of an experimental set-up which allows to produce a very strong slow motion atomic beam. We discuss the calculation and construction of the solenoid to compensate the Doppler effect arising during the deceleration process, vacuum chambers, the oven which produces the atomic beam and the optical system used. We have studied the Zeeman-tuned technique to slow an atomic beam of sodium atoms. A new technique to study the deceleration which Consist in monitoring the fluorescence along the deceleration path is used, which allow us a direct observation of the process.

Neste trabalho apresentamos a construção e teste de um sistema experimental que nos permite produzir um fluxo intenso de átomos lentos. Discutimos o desenho e construção do solenóide que compensa o efeito Doppler que surge durante o processo de desaceleração, as câmaras de vácuo, o forno que gera o feixe atômico e o sistema ótico utilizado. Estudamos a técnica de desaceleração de átomos pelo ajuste Zeeman. Uma nova técnica de observação que consiste no acompanhamento da fluorescência do feixe ao longo do caminho de desaceleração é usada, o que nos permite uma observação direta do processo. / This work presents the development and test of an experimental set-up which allows to produce a very strong slow motion atomic beam. We discuss the calculation and construction of the solenoid to compensate the Doppler effect arising during the deceleration process, vacuum chambers, the oven which produces the atomic beam and the optical system used. We have studied the Zeeman-tuned technique to slow an atomic beam of sodium atoms. A new technique to study the deceleration which Consist in monitoring the fluorescence along the deceleration path is used, which allow us a direct observation of the process.