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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.

To reduce large motion responses of moored platforms in a harsh environment in deep waters, a thruster-assisted position mooring system can be applied. By applying the system, global dynamic responses can be improved in terms of the mooring line/riser top tensions, operational radii, and the top and bottom angle of the production risers. Kalman filtering as an optimum observer and estimator for stochastic disturbances is implemented in the developed control algorithm to filter out wave frequency responses. Investigation of the performance of thruster-assisted moored offshore platforms was conducted in terms of six-degree-of-freedom motions and mooring line/riser top tensions by means of a fully coupled hull/mooring/riser dynamic analysis program in the time domain and a spectral analysis. The two cases, motion analyses of a platform with thrusters and without thrusters, are extensively compared. The numerical examples illustrate that for deepwater position-keeping of platforms a thruster-assisted moored platform can be an effective solution compared to a conventionally moored platform.

To reduce large motion responses of moored platforms in a harsh environment in deep waters, a thruster-assisted position mooring system can be applied. By applying the system, global dynamic responses can be improved in terms of the mooring line/riser top tensions, operational radii, and the top and bottom angle of the production risers. Kalman filtering as an optimum observer and estimator for stochastic disturbances is implemented in the developed control algorithm to filter out wave frequency responses. Investigation of the performance of thruster-assisted moored offshore platforms was conducted in terms of six-degree-of-freedom motions and mooring line/riser top tensions by means of a fully coupled hull/mooring/riser dynamic analysis program in the time domain and a spectral analysis. The two cases, motion analyses of a platform with thrusters and without thrusters, are extensively compared. The numerical examples illustrate that for deepwater position-keeping of platforms a thruster-assisted moored platform can be an effective solution compared to a conventionally moored platform.

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.

As automation in the construction site of the future becomes a reality, position location systems are necessary to provide real-time data to an operator. This thesis addresses problems associated with development of a real time automated position location system using a method similar to hyperbolic navigation methods. The Automated Position and Control (APAC) project is a joint effort between the Civil and Electrical Engineering departments at Virginia Polytechnic and State University and Bechtel Eastern Power Corporation. / Master of Science

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

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.

Sistemas de Posicionamento Dinâmico (SPD) são sistemas de controle que visam assegurar que um veículo oceânico se mantenha em uma determinada posição ou acompanhe uma trajetória de referência, mediante o emprego exclusivo de seus propulsores. Um SPD pode ser desmembrado em vários módulos específicos, com funções bem determinadas. Os módulos mais importantes são os sistemas de medição de posição e aproamento, o estimador de estados, o controlador e o algoritmo de alocação de empuxos. Atualmente, o Filtro de Kalman Estendido (FKE) é o estimador padrão para todos os SPD comercialmente disponíveis. Entretanto, o emprego do FKE implica em uma série de desvantagens. A sintonização do sistema é demorada e difícil, em função do elevado número de parâmetros de sintonização. Estabilidade assintótica global não pode ser conferida ao sistema. Adicionalmente, é necessário aplicar a técnica de programação de ganhos, uma vez que as equações cinemáticas de movimento do modelo devem ser linearizadas para aproximadamente 36 ângulos de guinada. A fim de eliminar estes óbices, o presente estudo propõe o desenvolvimento de um SPD totalmente não-linear, composto por um observador passivo não-linear e um controlador não-linear backstepping. / Dynamic Positioning Systems (DPS) are control systems used to maintain the vessel on a desired position or pre-defined path exclusively by means of active thrusters. A DPS can be separated into a set of dedicated modules with designated tasks. The most significant modules are the position and heading measurement systems, the state estimator, the controller and the thrust allocation algorithm. Nowadays, the Extended Kalman Filter (EKF) is the standard state estimator for all commercial DPS. However, the EKF technique presents several drawbacks. There is a large number of tuning parameters which requires a time-consuming tuning procedure. Global asymptotic stability cannot be assured to the system. Furthermore, it requires the use of a gain-scheduling technique, since the model is linearized about approximately 36 yaw angles due to the kinematics equations of motions. To solve these problems, this study proposes the development of a fully nonlinear DPS comprising a passive nonlinear observer and a nonlinear backstepping controller.