Este trabalho apresenta aspectos teóricos e práticos relevantes do desenvolvimento do Sistema de Navegação e Controle (SNC) a ser implementado em um Veículo Submarino Semi-Autônomo (VSSA), tipo não carenado e auto propelido, que está em desenvolvimento e construção na Escola Politécnica da USP, para a Petrobrás. Os três graus de liberdade horizontais são controlados para seguirem trajetórias pré-definidas, enviadas como sinais de referência para navegação por uma estação de apoio localizada na superfície, responsável pela guiagem do veículo. Os sinais de referência enviados são acústicos propagados pela água. A implementação física do SNC e o controle dos três graus de liberdade verticais não fazem parte do escopo deste trabalho. O SNC consiste em um controlador determinístico, um seguidor de trajetórias linear quadrático alimentado por um vetor de estados estimado assintoticamente. Por segurança, em caso de falha de algum sensor, e para filtrar ruídos nos sinais medidos, um estimador de estados de ordem plena é utilizado conjuntamente. Pela simplicidade de síntese e implementação, esta arquitetura de controle é considerada a melhor alternativa para capacitar o VSSA a executar os movimentos semi-autônomos desejados. As técnicas de controle utilizadas requerem a linearização do modelo matemático não-linear que descreve o comportamento dinâmico do veículo. O modelo é obtido de maneira simplificada. Os resultados são gerados por simulações com o modelo não-linear. / This work presents theoretical and practical aspects of the development of the Navigation and Control System (NCS) to be implemented into a Petrobras\' Semi-Autonomous Underwater Vehicle (SAUV), an open-frame and self-propelled type, which is being developed and built at Escola Politécnica of the University of São Paulo (EPUSP). The three horizontal Degrees-of-Freedom (DoF) are controlled so that they can follow a pre-defined trajectory sent as navigation reference signals to the NCS by a support ship, responsible for the guidance of the vehicle and placed on the ocean surface. Reference signals are sent as acoustic signals through the ocean water. The implementation and the control of the three vertical DoF are not in the scope of the present work. The NCS is based upon a deterministic controller, a Linear Quadratic (LQ) trajectory follower fed by an asymptotically estimated state vector, even though all the state variables are available by direct measurents. For safety, if some sensor fails, and for filtering noise on measured signals, a full-order state estimator is also designed. Since the LQ controller architecture is rather simple to design and implement, it was elected to control the SAUV manoeuvers. The control techniques require a linear model of the dynamics of the vehicle. Hence, a linearization procedure is applied to the system of nonlinear differential equations that describe the dynamic behavior of the SAUV. The results presented are provided by computer-aided simulations with the nonlinear model of the plant.

Este trabalho apresenta aspectos teóricos e práticos relevantes do desenvolvimento do Sistema de Navegação e Controle (SNC) a ser implementado em um Veículo Submarino Semi-Autônomo (VSSA), tipo não carenado e auto propelido, que está em desenvolvimento e construção na Escola Politécnica da USP, para a Petrobrás. Os três graus de liberdade horizontais são controlados para seguirem trajetórias pré-definidas, enviadas como sinais de referência para navegação por uma estação de apoio localizada na superfície, responsável pela guiagem do veículo. Os sinais de referência enviados são acústicos propagados pela água. A implementação física do SNC e o controle dos três graus de liberdade verticais não fazem parte do escopo deste trabalho. O SNC consiste em um controlador determinístico, um seguidor de trajetórias linear quadrático alimentado por um vetor de estados estimado assintoticamente. Por segurança, em caso de falha de algum sensor, e para filtrar ruídos nos sinais medidos, um estimador de estados de ordem plena é utilizado conjuntamente. Pela simplicidade de síntese e implementação, esta arquitetura de controle é considerada a melhor alternativa para capacitar o VSSA a executar os movimentos semi-autônomos desejados. As técnicas de controle utilizadas requerem a linearização do modelo matemático não-linear que descreve o comportamento dinâmico do veículo. O modelo é obtido de maneira simplificada. Os resultados são gerados por simulações com o modelo não-linear. / This work presents theoretical and practical aspects of the development of the Navigation and Control System (NCS) to be implemented into a Petrobras\' Semi-Autonomous Underwater Vehicle (SAUV), an open-frame and self-propelled type, which is being developed and built at Escola Politécnica of the University of São Paulo (EPUSP). The three horizontal Degrees-of-Freedom (DoF) are controlled so that they can follow a pre-defined trajectory sent as navigation reference signals to the NCS by a support ship, responsible for the guidance of the vehicle and placed on the ocean surface. Reference signals are sent as acoustic signals through the ocean water. The implementation and the control of the three vertical DoF are not in the scope of the present work. The NCS is based upon a deterministic controller, a Linear Quadratic (LQ) trajectory follower fed by an asymptotically estimated state vector, even though all the state variables are available by direct measurents. For safety, if some sensor fails, and for filtering noise on measured signals, a full-order state estimator is also designed. Since the LQ controller architecture is rather simple to design and implement, it was elected to control the SAUV manoeuvers. The control techniques require a linear model of the dynamics of the vehicle. Hence, a linearization procedure is applied to the system of nonlinear differential equations that describe the dynamic behavior of the SAUV. The results presented are provided by computer-aided simulations with the nonlinear model of the plant.

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.

Hydrodynamic and thermal analyses performed during the conceptual design of an unmanned underwater vehicle are presented in this study. The hull shape is determined by considering alternative shapes and the dimensions are determined from the internal arrangement of components. Preliminary thermal analyses of the watertight section are performed with a commercial software called FLUENT to check the risk of over-heating due to the heat dissipation of devices. Performance of the proposed hull design is analyzed by FLUENT. Before simulations of the vehicle, validation studies are performed. Models 4159, 4158 and 4154 of Series 58 are chosen as the experimental reference. Their total resistance coefficients are compared with the results of the validations analyses. Mesh densities, turbulence models, near wall modeling approaches and inlet turbulence intensities are varied to understand their effects on the accuracy of predictions. A suitable turbulence modeling approach is chosen to analyze forward and vertical motions of the vehicle to check whether speed requirements are fulfilled. Hull configurations with and without appendages are used to observe their effects on total drag. It is observed that the proposed design satisfies speed requirements of the vehicle and no overheating is expected in the watertight section.

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.

Neste trabalho, estuda-se o sistema de controle distribuído de um veículo submarino não tripulado, assumindo-se um sistema com recursos computacionais limitados. A princípio, são discutidos as fontes e os efeitos dos atrasos de tempo introduzidos pela escassez de recursos. Após o detalhamento da modelagem do veículo LAURS, compara-se o desempenho de alguns compensadores de atraso encontrados na literatura. Para isso, um simulador do sistema de controle do veículo LAURS é desenvolvido com o auxílio de uma ferramenta para Matlab que permite simular os aspectos temporais de um sistema limitado. A partir dos resultados das simulações, incluindo-se o estudo de um cenário, conclue-se que embora os compensadores de atraso melhorem o desempenho do sistema de controle, o custo reduzido de um sistema computacional limitado não justifica a incerteza de desempenho que uma aplicação crítica, como é o caso do veículo submarino não tripulado, apresentará. O resultado das simulações é validado estatisticamente. / This work studies the networked control system of the unmanned underwater vehicle LAURS considering a resource-constrained computer system. At first, delays sources and effects are discussed. The LAURS model is obtained and used for comparison of delay compensation strategies found in the literature. A simulator for the LAURS control system is developed with the aid of a Matlab Toolbox that emulates timing aspects of the limited operating system and network. Considering the simulation results, including a case scenario, it is argued that despite improving performance, the control system with delay compensation strategies remains unpredictable and prone to fail. Therefore, it is not recommended for critical systems such as the unmanned vehicle LAURS, even with the reduced costs of a resource-constrained computer system. The simulation results are statistically validated.

Neste trabalho, estuda-se o sistema de controle distribuído de um veículo submarino não tripulado, assumindo-se um sistema com recursos computacionais limitados. A princípio, são discutidos as fontes e os efeitos dos atrasos de tempo introduzidos pela escassez de recursos. Após o detalhamento da modelagem do veículo LAURS, compara-se o desempenho de alguns compensadores de atraso encontrados na literatura. Para isso, um simulador do sistema de controle do veículo LAURS é desenvolvido com o auxílio de uma ferramenta para Matlab que permite simular os aspectos temporais de um sistema limitado. A partir dos resultados das simulações, incluindo-se o estudo de um cenário, conclue-se que embora os compensadores de atraso melhorem o desempenho do sistema de controle, o custo reduzido de um sistema computacional limitado não justifica a incerteza de desempenho que uma aplicação crítica, como é o caso do veículo submarino não tripulado, apresentará. O resultado das simulações é validado estatisticamente. / This work studies the networked control system of the unmanned underwater vehicle LAURS considering a resource-constrained computer system. At first, delays sources and effects are discussed. The LAURS model is obtained and used for comparison of delay compensation strategies found in the literature. A simulator for the LAURS control system is developed with the aid of a Matlab Toolbox that emulates timing aspects of the limited operating system and network. Considering the simulation results, including a case scenario, it is argued that despite improving performance, the control system with delay compensation strategies remains unpredictable and prone to fail. Therefore, it is not recommended for critical systems such as the unmanned vehicle LAURS, even with the reduced costs of a resource-constrained computer system. The simulation results are statistically validated.

Unmanned Underwater Vehicles (UUVs) are widely used in commercial, scientific, and military missions for various purposes. What makes this technology challenging is the increasing mission duration and unknown environment. It is necessary to embed fault-tolerant control paradigms into UUVs to increase the reliability of the vehicles and enable them to execute and finalize complex missions. Specifically, fault-tolerant control (FTC) comprises fault detection, identification, and control reconfiguration for fault compensation. Literature review shows that there have been no systematic methods for fault-tolerant control of UUVs in earlier investigations. This study presents a hierarchical methodology of fault detection, identification and compensation (HFDIC) that integrates these functions systematically in different levels. The method uses adaptive finite-impulse-response (FIR) modeling and analysis in its first level to detect failure occurrences. Specifically, it incorporates a FIR filter for on-line adaptive modeling, and a least-mean-squares (LMS) algorithm to minimize the output error between the monitored system and the filter in the modeling process. By analyzing the resulting adaptive filter coefficients, we extract the information on the fault occurrence. The HFDIC also includes a two-stage design of parallel Kalman filters in levels two and three for fault identification using the multiple-model adaptive estimation (MMAE). The algorithm activates latter levels only when the failure is detected, and can return back to the monitoring loop in case of false failures. On the basis of MMAE, we use multiple sliding-mode controllers and reconfigure the control law with a probability-weighted average of all the elemental control signals, in order to compensate for the fault. We validate the HFDIC on the steering and diving subsystems of Naval Postgraduate School (NPS) UUVs for various simulated actuator and/or sensor failures, and test the hierarchical fault detection and identification (HFDI) with realistic data from at-sea experiment of the Florida Atlantic University (FAU) Autonomous Underwater Vehicles (AUVs). For both occasions, we model actuator and sensor failures as additive parameter changes in the observation matrix and the output equation, respectively. Simulation results demonstrate the ability of the HFDIC to detect failures in real time, identify failures accurately with a low computational overhead, and compensate actuator and sensor failures with control reconfiguration. In particular, verification of HFDI with FAU data confirms the performance of the fault detection and identification methodology, and provides important information on the vehicle performance. / Ph. D.