O uso de modelos de manobras representa um auxilio importante no projeto de veículos marinhos, permitindo a verificação do desempenho destes veículos, desenvolver o sistema de piloto automático, dentre outras aplicações durante a fase de projeto. Na área de veículos submarinos, seus modelos são tradicionalmente baseados em equações de movimento que incluem expressões polinomiais para representar os esforços hidrodinâmicos. Estes modelos são derivados de uma expansão em série de Taylor de forças e momentos, sendo representados em função das variáveis de movimento. Entretanto, estes modelos limitam a representatividade dos esforços hidrodinâmicos, e, especialmente para os termos de segunda ou mais altas ordens, eles requerem ensaios custosos em tanque de provas para identificar corretamente cada um dos coeficientes polinomiais. Esta dependência em ensaios de tanque de provas tem um impacto critico, ou até mesmo não realístico, durante o desenvolvimento de veículos autônomos submarinos, AUVs, de baixo ou médio custo. Utilizando métodos atuais da fluidodinâmica computacional (CFD), este trabalho propõe um roteiro alternativo para definir os modelos de manobras não lineares para uma classe de AUVs. As simulações de CFD, verificados e validados por normas rigorosas, são utilizados como base para derivar as funções não lineares que representam os esforços hidrodinâmicos, devido variações na velocidade lateral, velocidade angular e deflexão dos lemes. A abordagem numérica é complementada pelo uso de modelos analíticos e semi-empíricos oriundos da indústria de mísseis, que tiveram que ser melhorados com informações retiradas das simulações de CFD. Ajustes adicionais e derivações nos intervalos de confiança para as estimativas produzidas por métodos numéricos também são fornecidos pelo uso de modelos analíticos e semi-empíricos. Adotando o AUV Pirajuba como caso de estudo, a validação dos modelos de manobra foi realizada em duas etapas. Primeiro, são comparadas as estimativas dos esforços hidrodinâmicos com as medições em tanque de provas de um modelo cativo, e em seguida a resposta dinâmica dos modelos de manobras são comparadas com aquelas obtidas por ensaios em mar, sempre utilizando critérios de verificação e validação. Este tipo de análise indicou uma validação dos esforços hidrodinâmicos e do movimento para grande parte dos ensaios, sendo que nos demais casos o AUV teve seu comportamento dinâmico bem reproduzido. Este resultado demonstra que a metodologia proposta pode ser utilizada para estimar o modelo de manobra de um AUV típico, gerando uma solução de menor custo para a fase de desenvolvimento destes veículos. / The use of maneuvering models represents an important assistance in the project of marine vessels, allowing for the evaluation of the vehicle performance, the autopilot system development, among other tasks during the design phase. In the field of underwater vehicles, those models commonly are based on equations of motion that include polynomial expressions for representing the hydrodynamic efforts. They are derived from Taylor series expansion of forces and moments represented as functions of the motion variables. However, those models limit the representativeness of the hydrodynamic efforts, and, especially for the second order or higher terms, they require expensive trials in towing tank facilities to correctly identify each polynomic coefficient. This dependence on intensive tank tests has a critical impact, or is even unrealistic during the development of middle or low cost autonomous underwater vehicles, AUVs. Using current methods of computational fluid dynamics (CFD), this work proposes an alternative roadmap to construct nonlinear manoeuvring models, which can be applied to a class of AUVs. CFD simulations, verified and validated by rigorous standards, are used as basis to derive nonlinear functions that represent the hydrodynamic efforts due to variations in lateral velocity, angular rate and rudder deflection. The numerical approach is complemented by the use of analytical and semi-empirical models derived from missile industry, which have been improved according to the information taken from the CFD simulations. Further adjustments and derivation of confidence intervals to the estimates produced by the numerical method are also provided by the use of analytical and semi-empirical models. Adopting the Pirajuba AUV as a test bed, the manoeuvring model validation was carried out in two stages. Firstly, estimates of hydrodynamic efforts are compared with measurements obtained from experiments using a captive model in a towing tank. In the second step, the dynamic response predicted by the maneuvering model was compared with the output measured during free model trials. This type of analysis validated the hydrodynamic efforts and motion in most of the experiments, whereas for the remaining cases the AUV had its dynamic behavior well reproduced. This result demonstrates that the proposed methodology can be used to estimate the maneuvering model of a typical type AUV, generating a lower cost solution for the development phase of the vehicle.

Este trabalho trata do controle dos movimentos de um Veículo Submersível Autônomo (VSA). Veículos submersíveis são difíceis de controlar devido à alta não linearidade de seus modelos, ao forte acoplamento de movimentos, ao desconhecimento de certas dinâmicas, às incertezas do próprio modelo, devido a distúrbios externos impostos pelo ambiente e devido ao ruído de sensores. A dificuldade de controle pode ser exacerbada quando o veículo é subatuado. Para realização deste trabalho foi escolhido um VSA do tipo torpedo, cujo modelo matemático disponível na literatura foi devidamente modificado para garantir uma melhor descrição de seus movimentos em seis graus de liberdade (6-GL). O modelo foi então validado através de simulações numéricas. Para a síntese dos controladores utilizou-se uma técnica de controle avançada. Mais especificamente, utilizou-se a abordagem do controle H1 para sistemas multivariáveis. Assim foram obtidos controladores centralizados capazes de superar o problema do forte acoplamento de movimentos. Técnicas de controle avançado permitem também considerar as informações disponíveis sobre perturbações, incertezas, ruídos e diferentes tipos de entrada já na fase de síntese, o que permite obter controladores com desempenho adequado numa ampla faixa de operação. Neste trabalho, em particular, a técnica da Sensibilidade Mista foi escolhida para a síntese de controladores robustos. Nesta abordagem, formatam-se algumas funções de malha fechada ligadas a sensibilidade do sistema buscando garantir estabilidade e desempenho robusto para o sistema controlado. Usando a mesma técnica de controle desenvolveu-se ainda um controlador de dois graus de liberdade (2-GL), apropriado para aplicação no problema de guiagem, onde procura-se seguir trajetórias tridimensionais. Os controladores desenvolvidos foram testados em simulações numéricas, produzindo-se uma grande quantidade de resultados. A análise destes resultados revela o poder e flexibilidade das técnicas escolhidas. / This work focuses the motion control of an Autonomous Underwater Vehicle (AUV). Underwater vehicles are difficult to control due to high non-linearities of its model, coupling between dynamics, unknown dynamics, model uncertainties, disturbances and sensor noises. Difficulty is greater, when the system is subactuated. In this work, a mathematical model of a torpedo-like AUV available in the bibliography was chosen and refined, leading to a six degree of freedom (6-DOF) model. The model was further analyzed and validated by a number of numerical simulations. Advanced approaches were used for the synthesis of controllers. Speciffically, a H1 approach for multivariable systems was used. Thus, a centralized controller was developed, able to avoid the problem of high coupling between the variables. This advanced approach is also able to use informations about perturbations, uncertainties, noises and different types of input signals in the synthesis stage, leading to controllers with better performance in a large operation bandwidth. In this work, a Mixed Sensitivity approach was employed. This control approach is based on the shapping of well known closed-loop sensitivity functions, seeking to achieve stability and performance robustness. Using a similar technique, a controller with two degree of freedom (2-DOF) was also synthesised, to tackle the guidance problem tracking of 3-D trajectories was then fully achieved. The controllers developed were tested in a number of numerical simulations. Analyses of results reveals the power and flexibility of the employed techniques.

Os veículos submarinos não tripulados tem uma importância crescente devido à sua flexibilidade e baixo custo. Devido à sua complexidade intrínseca, eles requerem diversas competências diferentes para serem desenvolvidos e permitem realizar pesquisas em vários campos do conhecimento. No contexto de uma universidade, que possui pessoal heterogêneo e de alta rotatividade, faz-se mister adotar uma organização que permita que os esforços de cada aluno possam ser reusados pelos outros, de modo as atividades de pesquisa possam avançar com pouca perda de tempo e retrabalho. Tal necessidade pode ser respondida pela aplicação de conceitos da engenharia de sistemas, tais como modularidade, separação formal entre soluções tecnológicas e necessidades, classificação funcional, critérios para escolha do método de desenvolvimento, uso de referencial normativo técnico, plano tecnológico, integração, verificação e validação e gerenciamento de configurações. Este trabalho se limita a desenvolver uma arquitetura de controle, observando os conceitos de engenharia de sistemas, aplicada a um AUV. É feita uma comparação com outras arquiteturas similares do estado da arte e mostram-se resultados de testes em piscina para esta arquitetura. É mostrado também que foi possível estabelecer a continuidade do desenvolvimento por outros alunos, validando a utilidade da metodologia. Conclui-se que, para aumentar a eficiência da pesquisa universitária, é necessário observar aspectos gerenciais e institucionais além dos aspectos técnicos ao conceber soluções técnicas. / The unmanned underwater vehicles have a growing position due to their flexibility and low cost. Due to their inherent complexity, they require many different skills to be developed and they allow conducting research in various fields of knowledge. In the context of a university, which has heterogeneous staff and high turnover, there is the need of adopting an organization that allows the efforts of each student be reused by others, so research activities can proceed with little loss of time and rework. This need can be answered by the application of system engineering concepts such as modularity, formal separation between technology solutions and needs, functional classification, criteria for the choice of development method, use of technical reference standard, technological plan, integration, verification and validation and configuration management. This work is limited to development of a control architecture, observing the concepts of systems engineering, applied to an AUV. A comparison is made with other similar architectures in the state of the art and shows up test results in the pool for this architecture. It is also shown that it was possible to keep the development by other students, validating the utility of the methodology. It is concluded that in order to increase the efficiency of university research, it must be observed managerial and institutional aspects beyond the technical aspects when designing technical solutions.

O emprego de técnicas de controle para veículos submarinos, envolve muitas questões de interesse prático e teórico. Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de um sistema de controle inteligente e adaptativo a ser aplicado na navegação de veículos submarinos semi-autônomos (VSSAs). Utiliza-se uma técnica baseada no controle nebuloso (fuzzy), visando gerenciar o veículo submarino no controle de velocidade, profundidade, orientação e na evasão de obstáculos. A operação de veículos submarinos usando a técnica proposta, exige a definição, análise e tratamento de um vasto conjunto de comandos complexos manipulados pelo controlador. A metodologia utilizada divide a ação de controle em 3 fases. A primeira trata do posicionamento inicial do veículo submarino, a segunda fase trata da sua navegação e a fase final de gerenciar o comportamento do veículo próximo da posição-objetivo. A implementação funcional do controlador e dividida em módulos. O primeiro módulo informa o comportamento do ambiente e do próprio veículo, fornecendo dados iniciais sobre seu posicionamento e sua profundidade; um segundo módulo trata da presença de obstáculos em diferentes direções com dados fornecidos por sonares e assim determina as ações para a evasão de obstáculos. A ação de controle e estabelecida usando conceitos da teoria nebulosa (fuzzy) no universo de discurso, através de variáveis lingüísticas e de regras de inferência definidas a partir do conhecimento de especialistas, que envolvem a imprecisão característica do comportamento humano. As informações no final do processo são concentradas, de forma que a ação de controle e determinada para que possa enviar sinais de controle aos atuadores. / The design of underwater vehicle involves a very large number of practical and theoretical problems. In this work, it is tackled the development of a intelligent and adaptive controller, to be used in the navigation of semi-autonomous underwater vehicles (SAUV). To achieve this goal, a technique based on the fuzzy theory was employed to control the vehicle movements, including the evasion of obstacles. The operation of underwater vehicles using this approach demands the definition and treatment of a vast set of complex commands, manipulated by the controller. The control action is subdivided into three stages, the first one deals the control action during the initial positioning of the vehicle, a second stage deals with the navigation itself and the final stage deals the control action when the vehicle is close to the objective-position. The functional development of the controller was also subdivided into modules. The first module deals with the management of input data such as environmental disturbances and initial vehicle position, such as depth of the vehicle. The second module deals the detection of obstacles in different directions and the optimal evasion action to avoid collisions. The control action during a mission is established using concepts of the Fuzzy theory in the universe of speech, through linguistic variables and rules of inference defined from the knowledge of specialists, involving the characteristic imprecision of human behavior. In the end of the process, the information is defuzzificated, so that control actions are determined, allowing a practical implementation.

O desenvolvimento de arquiteturas de controle para veículos submarinos é uma tarefa complexa. Estas podem ser caracterizadas pelos seguintes atributos: tempo real, multitarefa, concorrência e comunicações distribuídas em rede. Neste cenário, existem múltiplos processos sendo executados em paralelo, possivelmente distribuídos, e se comunicando uns com os outros. Neste contexto, o modelo comportamental pode levar a fenômenos como deadlocks, livelocks, disputa por recursos, entre outros. A fim de se tentar minimizar os efeitos de tais dificuldades, neste trabalho será apresentado um método para checagem de modelos de arquiteturas de controle de veículos submarinos baseado em Especificações Formais. A linguagem de especificação formal escolhida foi CSP-OZ, uma combinação de CSP e Object-Z. Object-Z é uma extensão orientada a objetos da linguagem Z para a especificação de predicados, tipicamente pré e pós condições, além de invariantes de dados. CSP (Communicating Sequential Process) é uma álgebra de processos desenvolvida para descrever modelos comportamentais de processos paralelos. A checagem de modelos especificados formalmente consiste na análise das especificações para verificar se um sistema possui certas propriedades através de uma busca exaustiva em todos os estados em que este pode entrar durante sua execução. Neste contexto, é possível checar corretude, livelocks, deadlocks, etc. Além disso, pode-se relacionar duas especificações diferentes a fim de se checar relações de refinamento. Para as especificações, o verificador de modelos FDR da Formal Systems Ltd. será utilizado. A implementação é desenvolvida utilizando um perfil da linguagem Ada denominado RavenSPARK, uma junção do perfil Ravenscar (desenvolvido na Universidade de York) com a linguagem SPARK (um subconjunto da linguagem Ada desenvolvido pela Praxis, Inc.). O Ravenscar é um perfil para desenvolvimento de processos, e portanto os processos de CSP, incluindo seus canais de comunicação, podem ser facilmente criados. Por outro lado, SPARK é uma linguagem onde podem ser inseridos predicados para os dados (originalmente especificados em Object-Z) utilizando anotações da própria linguagem. A linguagem SPARK possui uma ferramenta, o Examinador, que pode checar códigos de modelos baseado nestas anotações. Em resumo, o método proposto permite tanto a checagem de modelos em CSP quanto a checagem no nível de código. Para isso, as especificações em Object-Z devem inicialmente ser convertidas em um código na linguagem SPARK juntamente com suas respectivas anotações, para que então a checagem do modelo possa ser realizada no código. O desenvolvimento de uma arquitetura de controle reativa para um ROV denominado VSOR (Veículo Submarino Operado Remotamente) é utilizado como exemplo de uso do método proposto. Toda a arquitetura de controle é codificada utilizando a linguagem Ada com o perfil RavenSPARK e embarcada em um computador do tipo PC104 com o sistema operacional de tempo real VxWorks, da Windriver, Inc. / The development of control architectures for Underwater Vehicles is a complex task. These control architectures might be chracterised by the following attributes: real-time, multitasking, concurrency, and distributed over communication networks. In this scenario, we have multiple processes running in parallel, possibly distributed, and engaging in communication between each other. In this context, the behavioural model might lead to phenomena like deadlocks, livelocks, race conditions, among others. In order to try to minimize the effects of such difficulties, in this work a method for model checking control architectures of underwater vehicles based on formal specifications is presented. The chosen formal specification language is CSP-OZ, a combination of CSP and Object-Z. Object-Z is an object-oriented extension of Z for the specification of predicates, typically, data pre, post and invariant conditions. CSP (Communicating Sequential Process) is a process algebra developed to describe behavioural models of parallel process. The model checking of formal specifications is a task of reasoning on specifications in which a system verifies certain properties by means of an exhaustive search of all possible states that a system could enter during its execution. In this context, it is possible to check about correctness, liveness, deadlock, etc. Also, one can relate two different specifications in order to check a refinement ordering. For the specifications, the model checker FDR of Formal Systems Ltd. is utilised. The implementation is developed using an ADA language profile called RavenSPARK, a union of the Ravenscar profile (developed at the University of York) and the SPARK language (a subset of the ADA language developed by Praxis, Inc.). The Ravenscar is a profile for developing processes, so CSP processes including their message channels can be easily deployed. On the other hand, SPARK is a language where one can insert data predicates (originally specified in Object-Z) using language annotations. The SPARK language has a tool, the Examiner, that can model check code based on these annotations. In summary, the proposed method allows model checking of CSP processes but does not allow any checking in the code level. On the contrary, Object-Z specifications must first be converted into a SPARK language code, together with proper annotations, and then model checking can be realised in code. The development of a real-time reactive control architecture of an ROV named VSOR (Veiculo Submarino Operado Remotamente) is used as an example of the use of the proposed method. The whole control architecture is coded using the ADA Language with the RavenSPARK profile and deployed into a PC104 cpu system running the Vxworks real-time operating system of Windriver, Inc.

O uso de modelos de manobras representa um auxilio importante no projeto de veículos marinhos, permitindo a verificação do desempenho destes veículos, desenvolver o sistema de piloto automático, dentre outras aplicações durante a fase de projeto. Na área de veículos submarinos, seus modelos são tradicionalmente baseados em equações de movimento que incluem expressões polinomiais para representar os esforços hidrodinâmicos. Estes modelos são derivados de uma expansão em série de Taylor de forças e momentos, sendo representados em função das variáveis de movimento. Entretanto, estes modelos limitam a representatividade dos esforços hidrodinâmicos, e, especialmente para os termos de segunda ou mais altas ordens, eles requerem ensaios custosos em tanque de provas para identificar corretamente cada um dos coeficientes polinomiais. Esta dependência em ensaios de tanque de provas tem um impacto critico, ou até mesmo não realístico, durante o desenvolvimento de veículos autônomos submarinos, AUVs, de baixo ou médio custo. Utilizando métodos atuais da fluidodinâmica computacional (CFD), este trabalho propõe um roteiro alternativo para definir os modelos de manobras não lineares para uma classe de AUVs. As simulações de CFD, verificados e validados por normas rigorosas, são utilizados como base para derivar as funções não lineares que representam os esforços hidrodinâmicos, devido variações na velocidade lateral, velocidade angular e deflexão dos lemes. A abordagem numérica é complementada pelo uso de modelos analíticos e semi-empíricos oriundos da indústria de mísseis, que tiveram que ser melhorados com informações retiradas das simulações de CFD. Ajustes adicionais e derivações nos intervalos de confiança para as estimativas produzidas por métodos numéricos também são fornecidos pelo uso de modelos analíticos e semi-empíricos. Adotando o AUV Pirajuba como caso de estudo, a validação dos modelos de manobra foi realizada em duas etapas. Primeiro, são comparadas as estimativas dos esforços hidrodinâmicos com as medições em tanque de provas de um modelo cativo, e em seguida a resposta dinâmica dos modelos de manobras são comparadas com aquelas obtidas por ensaios em mar, sempre utilizando critérios de verificação e validação. Este tipo de análise indicou uma validação dos esforços hidrodinâmicos e do movimento para grande parte dos ensaios, sendo que nos demais casos o AUV teve seu comportamento dinâmico bem reproduzido. Este resultado demonstra que a metodologia proposta pode ser utilizada para estimar o modelo de manobra de um AUV típico, gerando uma solução de menor custo para a fase de desenvolvimento destes veículos. / The use of maneuvering models represents an important assistance in the project of marine vessels, allowing for the evaluation of the vehicle performance, the autopilot system development, among other tasks during the design phase. In the field of underwater vehicles, those models commonly are based on equations of motion that include polynomial expressions for representing the hydrodynamic efforts. They are derived from Taylor series expansion of forces and moments represented as functions of the motion variables. However, those models limit the representativeness of the hydrodynamic efforts, and, especially for the second order or higher terms, they require expensive trials in towing tank facilities to correctly identify each polynomic coefficient. This dependence on intensive tank tests has a critical impact, or is even unrealistic during the development of middle or low cost autonomous underwater vehicles, AUVs. Using current methods of computational fluid dynamics (CFD), this work proposes an alternative roadmap to construct nonlinear manoeuvring models, which can be applied to a class of AUVs. CFD simulations, verified and validated by rigorous standards, are used as basis to derive nonlinear functions that represent the hydrodynamic efforts due to variations in lateral velocity, angular rate and rudder deflection. The numerical approach is complemented by the use of analytical and semi-empirical models derived from missile industry, which have been improved according to the information taken from the CFD simulations. Further adjustments and derivation of confidence intervals to the estimates produced by the numerical method are also provided by the use of analytical and semi-empirical models. Adopting the Pirajuba AUV as a test bed, the manoeuvring model validation was carried out in two stages. Firstly, estimates of hydrodynamic efforts are compared with measurements obtained from experiments using a captive model in a towing tank. In the second step, the dynamic response predicted by the maneuvering model was compared with the output measured during free model trials. This type of analysis validated the hydrodynamic efforts and motion in most of the experiments, whereas for the remaining cases the AUV had its dynamic behavior well reproduced. This result demonstrates that the proposed methodology can be used to estimate the maneuvering model of a typical type AUV, generating a lower cost solution for the development phase of the vehicle.

O planeta Terra tem aproximadamente três quartos submersos em água, ainda assim, estima-se que somente são conhecidos 5% dos mares e oceanos. Nas últimas décadas, os AUVs (Autonomous Underwater Vehicles) se converteram em uma ferramenta útil para a exploração dos oceanos por levar a bordo vários equipamentos com um relativo baixo custo de operação. A parte estrutural dos AUVs, usualmente cascas cilíndricas, tem sido estudada. De modo geral, os objetivos desses estudos visam a manter a rigidez e deixar a estrutura mais leve, sob o critério de resistência a flambagem. A falha por flambagem, normalmente, ocorre antes da falha por resistência do material em cascas devido à sua geometria e à influência de imperfeições iniciais. Uma forma de aumentar a rigidez das cascas é o uso de enrijecedores, os quais geralmente são soldados à casca. No entanto, o uso desses enrijecedores em um veículo de pequeno porte diminui o espaço utilizados por diferentes dispositivos e instrumentos do veículo, além de resultar em possíveis inconvenientes na fabricação, tais como aumento do custo e produção de tensões residuais relativas aos processos de soldagem. Portanto, alternativas ao enrijecedor convencional devem ser buscadas para esse tipo de veículo. É possível substituir os enrijecedores convencionais por uma estrutura interna ao vaso de pressão e comum em submersíveis, a prateleira de acomodação da eletrônica. Essa estrutura, chamada aqui de enrijecedores deslizantes, possui cavernas circunferenciais que podem fornecer rigidez à casca e evitar os inconvenientes de redução de volume e de fabricação que os enrijecedores convencionais trazem. No entanto, tal substituição para o aumento de rigidez ainda não foi analisada. Portanto, neste trabalho se propõe analisar o comportamento do enrijecedor deslizante quando utilizado em substituição ao enrijecedor convencional, considerando que ambos fornecem resistência à compressão embora não apresentem as mesmas restrições de graus de liberdade. A análise é feita através de métodos analíticos e numéricos, tipicamente utilizados no estudo de enrijecedores convencionais. / The planet Earth has about three quarters of water, yet it is estimated that only 5% of the seas and oceans are known. In the last decades, the AUVs have become useful tools for the exploration of the oceans by carrying on board several equipment with a relative low cost of operation. The structural part of the AUV\'s, usually cylindrical shells, has been studied as well. In general, the objectives of these studies are to maintain rigidity and to leave the structure lighter, under the criterion of buckling resistance. The buckling failure occurs prior to failure by yielding due to its geometry and the influence of initial shell imperfections. One way to increase the stiffness of the shells is to use stiffeners, which are usually welded to the shell. However, the use of these stiffeners in a small vehicle reduces the space used for different devices and instruments of the vehicle, in addition there are manufacturing drawbacks as residual stresses related to the welding processes. Therefore, alternatives to the conventional stiffener should be sought for this type of vehicle. It is possible to replace conventional stiffeners by an internal structure to the pressure vessel and common in submersibles, the shelf of accommodation of the electronics. This structure, referred to here as sliding stiffeners, has circumferential frame bulkheads that can provide stiffness to the shell and avoid the drawbacks of volume reduction and fabrication that conventional stiffeners bring. However, such substitution for increased rigidity has not yet been analyzed. Therefore, in this work it is proposed to analyze the behavior of the sliding stiffeners when used in substitution of the conventional stiffeners, considering that both provide compressive strength although they do not present the same restrictions of degrees of freedom. The analysis is done by analytical and numerical methods, typical of conventional stiffeners.

Atualmente está aumentando a necessidade de utilização de veículos submersíveis não tripulados nos meios aquáticos, tanto para observação científica, como também para monitoramento de obras de engenharia. As posições destes veículos são controladas, em geral, manualmente o que torna essas operações tarefas longas e cansativas aos seus pilotos. Uma alternativa que simplifica estas operações é a utilização, quando necessário, de um sistema automático de posição para aliviar o piloto de funções básicas. Para o desenvolvimento de um sistema de posicionamento automático eficiente é necessário um modelo matemático para a dinâmica do veículo, que envolve o conhecimento dos parâmetros hidrodinâmicos que caracterizam o comportamento do veículo, principalmente em casos onde o veículo possua formas geométricas complexas, sendo assim torna-se compulsório a realização de métodos experimentais para a determinação dos coeficientes hidrodinâmicos do modelo. Na Faculdade de Tecnologia de Jahu vem se desenvolvendo desde 1999 a segunda versão de um veículo submersível não tripulado para utilização em ambiente fluvial denominado VSNT JAÚ II. Este trabalho propõe a utilização de métodos experimentais para a obtenção de alguns dos coeficientes hidrodinâmicos do veículo, no qual são considerados massa adicional e amortecimento viscoso que serão estimados através de ensaios de decaimento livre, utilizando um modelo em escala reduzida e técnicas de processamento digital de imagem. Para estimativa dos coeficientes de massa adicional e amortecimento viscoso o método proposto é baseado método dos mínimos quadrados e separa os movimentos do veículo em dois planos, vertical e horizontal, considerando termos de acoplamento nos movimentos nesses planos. / Unmanned underwater vehicles they have been used continually by the planet in spite of the difficulties of your operation, both for scientific observation, but also for monitoring of engineering works. The positions of these vehicles are controlled, in general, which makes manually they work long and tiring to their pilots. An alternative that simplifies this operation is the use of an automatic system of position to relieve the pilot of basic functions. For the development of an efficient of automatic positioning system it is necessary a mathematical model of the vehicle, it is necessary the knowledge of the hydrodynamic parameters that characterize the behavior of the vehicle. Those parameters are difficult to obtain through theoretical procedures, in cases where the vehicle possesses complex forms, and then experimental methods are used. In Faculdade de Tecnologia de Jahu it comes the developing since 1999 the second version of an unmanned underwater vehicle for use in fluvial environments denominated VSNT JAÚ II. This work proposes the use of an experimental method for the obtaining of some of the hydrodynamic coefficients of the Vehicle, based on rehearsals of free decay, using a model in reduced scale and techniques of digital image processing. The proposed procedure separates the movements of the vehicle in two plans, vertical and horizontal, considering joining terms in the movements in those plans.

O ambiente aquático tem notória importância para a pesquisa, pela biodiversidade e vastidão, e também do ponto de vista comercial, para a indústria militar e de óleo&gás por exemplo. Entretanto, a sua exploração é prejudicada por diversos fatores, entre eles devido à dificuldade de navegação. Infelizmente, carece-se de sinal GPS (Global Positioning System) embaixo d\'água, o que exige outras técnicas de localização. Assim, este trabalho analisa um sistema de navegação para um veículo submarino autônomo. Graças a sensores de velocidade, girômetros, bússola, entre outros, aplica-se o princípio de dead reckoning para calcular a posição atual do veículo a partir da última posição conhecida. Para tal, é feito inicialmente um estudo dos sensores a serem utilizados e um algoritmo de navegação é proposto, cujos resultados são expressos em coordenadas geodésicas (latitude e longitude), permitindo a visualização da trajetória do veículo em mapas geo-referenciados. Além disso, problemas práticos de medição são tratados. Em seguida, é feito um estudo sobre o ruído dos sensores, utilizando a curva de variância de Allan para caracterização dos sinais dos girômetros e do DVL (Doppler Velocity Logger). Por meio de equações de propagação de erro, os ruídos são recuperados em simulação, permitindo a estimação do erro de posição e de atitude (posição angular) acumulados para uma dada manobra. Finalmente, discute-se um critério de emersão a partir das estimativas de erro de posição. / The main part of our planet is filled with water, so the aquatic environment has notorious research and commercial importance. However, its exploration faces many difficulties. In navigation, the lack of GPS signal (Global Positioning System) during underwater missions requires different techniques, so this document focus on analyzing a navigation system for autonomous underwater vehicles. Thanks to different embedded sensors, like DVL (Doppler Velocity Logger), compass, gyrometers and others, the processes of dead reckoning is applied, witch calculates vehicle\'s current position by using the previously determined position. To do so, a navigation algorithm is implemented, providing geodesic coordinates to plot vehicle\'s trajectories on geo-referenced maps. Also, practical difficulties are discussed and treated. To improve the quality of the results, girometer\'s and DVL\'s errors are analyzed using Allan\'s variance and the navigation errors are estimated using first order time derivative equations in an augmented state space. Lastly, it is discussed a criterion to emerge and correct the vehicle\'s position using GPS signal.

A tarefa de operar um veículo submarino durante missões de inspeção de ambientes estruturados como, por exemplo, duto de usinas hidrelétricas, é feita principalmente por meio de referências visuais e uma bússola magnética. Porém alguns ambientes desse tipo podem apresentar uma combinação de baixa visibilidade e anomalias ferromagnéticas que inviabilizaria esse tipo de operação. Este trabalho, motivado pelo desenvolvimento de um veículo submarino operado remotamente (ROV) para ser usado em ambientes com essas restrições, propõe um sistema de navegação que utiliza o conhecimento prévio das dimensões do ambiente para corrigir o estado do veículo por meio da correlação dessas dimensões com os dados de um sonar de imageamento 2D. Para fazer essa correlação é utilizado o ltro de partículas, que é uma implementação não paramétrica do ltro Bayesiano. Esse ltro faz a estimação do estado com base nos métodos sequenciais de Monte Carlo e permite trabalhar de uma maneira simples com modelos não lineares. A desvantagem desse tipo de fusão sensorial é o seu alto custo computacional o que geralmente o impede de ser utilizado em aplicações de tempo real. Para que seja possível utilizar esse ltro em tempo real, será proposto neste trabalho uma implementação paralela utilizando uma unidade de processamento gráco (GPU) da NVIDIA e a arquitetura CUDA. Neste trabalho também será feito um estudo da utilização de duas congurações de sensores no sistema de navegação proposto neste trabalho. / The task of navigating a Remotely Operated underwater Vehicles (ROV) during inspection of man-made structures is performed mostly by visual references and occasionally a magnetic compass. Yet, some environments present a combination of low visibility and ferromagnetic anomalies that negates this approach. This paper, motivated by the development of a ROV designed to work on such environment, proposes a navigation method for this kind of vehicle. As the modeling of the system is nonlinear, the method proposed uses a particle lter to represent the vehicle state that is a nonparametric implementation of the Bayes lter. This method to work needs a priori knowledge of the environment map and to make the data association with this map, a 2D image sonar is used. The drawback of the sensor fusion used in this work is its high computational cost which generally prevents it from being used in real time applications. To be possible for this lter to be used in real time application, in this work is proposed a parallel implementation using a graphics processing unit (GPU) from NVIDIA and CUDA architecture. In this work is also made a study of two types of sensors conguration on the navigation system proposed in this work.