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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 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.

Durante o desenvolvimento dessa dissertação foi criado um novo controlador de navios para aproamento automático de mínima energia (weathervane), de acordo com condições ambientais incidentes, mantendo o posicionamento de um ponto de controle arbitrário. O controlador proposto utiliza a metodologia ZPC (Zero Power Control), empregando o método da integral de realimentação, originalmente proposto para aplicação em sistemas de levitação magnética. Além da análise de estabilidade, também foi utilizado o simulador numérico de sistemas oceânicos TPN (Tanque de Provas Numérico), atestando o funcionamento do controlador sob a influência de diversas condições. Foram simulados casos com agentes ambientais (onda, vento e correnteza) desalinhados, ondas irregulares, posicionamento da popa no navio, dentre outros. O desempenho do controlador desenvolvido foi comparado, através de análise estática, com o desempenho de outras lógicas de controle weathervane, apresentando desempenho igual ou superior. Finalmente, um navio em escala reduzida foi submetido a testes em um tanque físico. Os resultados experimentais foram bastante satisfatórios, validando os resultados numéricos obtidos. Com isto, conclui-se que o controlador projetado atende os propósitos para o qual foi concebido com sucesso, sendo viável e possuindo diversas aplicações práticas imediatas. / A new controller was developed during this thesis, intended to automatically calculate the optimum heading (weathervane) for any given environmental condition. The vessel positioning is kept while this controller adapts the heading. The proposed controller utilizes the Zero Power Control (ZPC) methodology, generally applied to magnetic levitation systems. The chosen ZPC strategy is the integral feedback. A stability analysis was carried, in addition to simulations at the oceanic systems numerical simulator TPN (Numerical Offshore Tank), proving the controller availability under the influence of several environmental conditions. Cases with misaligned environmental agents (wind, waves and current), irregular waves, stern control, among others were simulated. In order to prove its performance, the final controller was compared with existing weathervane controllers through a static analysis, showing that it was equal or superior. Finally, a scale model ship was undergone to tests on a physical tank. The experimental results were pretty good, validating the obtained numerical results. In conclusion, the designed controller attends its design requirements successfully, being viable and having several immediate practical applications.

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.

Durante o desenvolvimento dessa dissertação foi criado um novo controlador de navios para aproamento automático de mínima energia (weathervane), de acordo com condições ambientais incidentes, mantendo o posicionamento de um ponto de controle arbitrário. O controlador proposto utiliza a metodologia ZPC (Zero Power Control), empregando o método da integral de realimentação, originalmente proposto para aplicação em sistemas de levitação magnética. Além da análise de estabilidade, também foi utilizado o simulador numérico de sistemas oceânicos TPN (Tanque de Provas Numérico), atestando o funcionamento do controlador sob a influência de diversas condições. Foram simulados casos com agentes ambientais (onda, vento e correnteza) desalinhados, ondas irregulares, posicionamento da popa no navio, dentre outros. O desempenho do controlador desenvolvido foi comparado, através de análise estática, com o desempenho de outras lógicas de controle weathervane, apresentando desempenho igual ou superior. Finalmente, um navio em escala reduzida foi submetido a testes em um tanque físico. Os resultados experimentais foram bastante satisfatórios, validando os resultados numéricos obtidos. Com isto, conclui-se que o controlador projetado atende os propósitos para o qual foi concebido com sucesso, sendo viável e possuindo diversas aplicações práticas imediatas. / A new controller was developed during this thesis, intended to automatically calculate the optimum heading (weathervane) for any given environmental condition. The vessel positioning is kept while this controller adapts the heading. The proposed controller utilizes the Zero Power Control (ZPC) methodology, generally applied to magnetic levitation systems. The chosen ZPC strategy is the integral feedback. A stability analysis was carried, in addition to simulations at the oceanic systems numerical simulator TPN (Numerical Offshore Tank), proving the controller availability under the influence of several environmental conditions. Cases with misaligned environmental agents (wind, waves and current), irregular waves, stern control, among others were simulated. In order to prove its performance, the final controller was compared with existing weathervane controllers through a static analysis, showing that it was equal or superior. Finally, a scale model ship was undergone to tests on a physical tank. The experimental results were pretty good, validating the obtained numerical results. In conclusion, the designed controller attends its design requirements successfully, being viable and having several immediate practical applications.

A exploração do petróleo no Brasil tem migrado para águas cada vez mais profundas; os campos de exploração estão cada vez mais distantes da costa e em regiões com condições meteoceanográficas cada vez mais severas. Isto, e o recente volume de novas descobertas e novos campos de exploração têm impulsionado as indústrias deste setor na busca por novas soluções para a exploração deste óleo. Uma destas soluções inovadoras são os FPWSO DP (Floating Production Storage Workover Offloading Dynamic Positioning Unit). Estas são unidades de produção, dotadas de sondas de perfuração e de sistema de posicionamento dinâmico. A utilização de unidades de posicionamento dinâmico para produção continua de campos de petróleo é algo novo no mundo. Por se tratar de plataformas que devem permanecer por vários meses produzindo de forma ininterrupta, o estudo de confiabilidade de seu sistema de posicionamento dinâmico é de vital importância. Este trabalho apresenta um estudo de confiabilidade para este tipo de embarcação. Serão avaliados todos os sistemas relacionados ao posicionamento dinâmico da unidade, entre eles, sistema de geração de energia, sistema de propulsão, controladores DP e sistemas de referência de posição. O trabalho apresenta também um estudo de confiabilidade do sistema de conexão e desconexão de emergência com o poço; sistema este que é a ultima salvaguarda caso haja uma perda de posição na unidade. / The exploitation of oil in Brazil has migrated to deeper and deeper waters; the exploration fields are increasingly distant from the coast and in regions with meteoceanográficas conditions increasingly severe. This, and the recent volume of new discoveries and new exploration fields have driven industries of this sector in the search for new solutions to the exploitation of this oil. One of these innovative solutions are FPWSO DP (Floating Production Storage Offloading Workover Dynamic Positioning Unit). These are production units, equipped with drilling rigs and dynamic positioning system. The use of dynamic positioning units for continuous production of oil fields is something new in the world. Because it is platforms that must remain for several months producing uninterrupted, the study of reliability of its dynamic positioning system is of vital importance. This paper presents a reliability study for this type of vessel. We will evaluate all systems related to the dynamic positioning of the unit, including, power generation system, propulsion system, DP controllers and position reference systems. The paper also presents a study of connection of system reliability and emergency disconnect with the well; which system is the last safeguard in case there is a loss of position in the unit.

A exploração do petróleo no Brasil tem migrado para águas cada vez mais profundas; os campos de exploração estão cada vez mais distantes da costa e em regiões com condições meteoceanográficas cada vez mais severas. Isto, e o recente volume de novas descobertas e novos campos de exploração têm impulsionado as indústrias deste setor na busca por novas soluções para a exploração deste óleo. Uma destas soluções inovadoras são os FPWSO DP (Floating Production Storage Workover Offloading Dynamic Positioning Unit). Estas são unidades de produção, dotadas de sondas de perfuração e de sistema de posicionamento dinâmico. A utilização de unidades de posicionamento dinâmico para produção continua de campos de petróleo é algo novo no mundo. Por se tratar de plataformas que devem permanecer por vários meses produzindo de forma ininterrupta, o estudo de confiabilidade de seu sistema de posicionamento dinâmico é de vital importância. Este trabalho apresenta um estudo de confiabilidade para este tipo de embarcação. Serão avaliados todos os sistemas relacionados ao posicionamento dinâmico da unidade, entre eles, sistema de geração de energia, sistema de propulsão, controladores DP e sistemas de referência de posição. O trabalho apresenta também um estudo de confiabilidade do sistema de conexão e desconexão de emergência com o poço; sistema este que é a ultima salvaguarda caso haja uma perda de posição na unidade. / The exploitation of oil in Brazil has migrated to deeper and deeper waters; the exploration fields are increasingly distant from the coast and in regions with meteoceanográficas conditions increasingly severe. This, and the recent volume of new discoveries and new exploration fields have driven industries of this sector in the search for new solutions to the exploitation of this oil. One of these innovative solutions are FPWSO DP (Floating Production Storage Offloading Workover Dynamic Positioning Unit). These are production units, equipped with drilling rigs and dynamic positioning system. The use of dynamic positioning units for continuous production of oil fields is something new in the world. Because it is platforms that must remain for several months producing uninterrupted, the study of reliability of its dynamic positioning system is of vital importance. This paper presents a reliability study for this type of vessel. We will evaluate all systems related to the dynamic positioning of the unit, including, power generation system, propulsion system, DP controllers and position reference systems. The paper also presents a study of connection of system reliability and emergency disconnect with the well; which system is the last safeguard in case there is a loss of position in the unit.

Este trabalho tem como objetivo central o desenvolvimento da infra-estrutura de sensoriamento e atuação para a avaliação de Sistemas de Posicionamento Dinâmico de modelos reduzidos de embarcações em tanques de provas. Ele descreve a concepção, o projeto, a implementação e os testes de um sistema sensor de posição e orientação do modelo, assim como o hardware dos propulsores utilizados como atuadores do modelo. O sistema sensor é baseado na emissão e recepção de sinais acústicos sincronizados de alta freqüência (ultra-som). Utiliza-se o Método Esférico 3-D como algoritmo de triangularização, obtendo-se a estimativa da posição por meio da minimização de uma medida quadrática do erro. Além disso, foi também aplicado o filtro estendido de Kalman como algoritmo de estimação. São apresentadas de forma clara e objetiva as dificuldades encontradas no decorrer do desenvolvimento do trabalho, bem como as soluções adotadas para contorná-las, analisando as influências das condições atmosféricas e do ambiente laboratorial no processo de medição, os resultados obtidos a partir dos ensaios, a robustez e o desempenho do sistema sensor. / The main objective of this work is the development of both sensing and actuation infra-structure for the performance evaluation of Dynamic Positioning Systems for reduced scale model of ships in towing tanks or offshore tanks. It describes the conception, design, implementation and tests of a range and orientation sensor system, as well as the hardware of the propellers used as the model actuators. The sensor system is based on the emission and reception of high frequency synchronized accoustic signals (ultra-sound). A 3-D spherical method based on the minimization of a quadratic measure of the error is used to estimate the position of the ship model. Furthermore the extended Kalman filter is also used. The difficulties found during the development of the project are presented as well as the solutions adopted to circumvent them. The experimental results obtained are discussed. In particular, the influence of both the local atmosphere and the lab environment on the performance of the sensor system are taken into account.

Este trabalho tem como objetivo central o desenvolvimento da infra-estrutura de sensoriamento e atuação para a avaliação de Sistemas de Posicionamento Dinâmico de modelos reduzidos de embarcações em tanques de provas. Ele descreve a concepção, o projeto, a implementação e os testes de um sistema sensor de posição e orientação do modelo, assim como o hardware dos propulsores utilizados como atuadores do modelo. O sistema sensor é baseado na emissão e recepção de sinais acústicos sincronizados de alta freqüência (ultra-som). Utiliza-se o Método Esférico 3-D como algoritmo de triangularização, obtendo-se a estimativa da posição por meio da minimização de uma medida quadrática do erro. Além disso, foi também aplicado o filtro estendido de Kalman como algoritmo de estimação. São apresentadas de forma clara e objetiva as dificuldades encontradas no decorrer do desenvolvimento do trabalho, bem como as soluções adotadas para contorná-las, analisando as influências das condições atmosféricas e do ambiente laboratorial no processo de medição, os resultados obtidos a partir dos ensaios, a robustez e o desempenho do sistema sensor. / The main objective of this work is the development of both sensing and actuation infra-structure for the performance evaluation of Dynamic Positioning Systems for reduced scale model of ships in towing tanks or offshore tanks. It describes the conception, design, implementation and tests of a range and orientation sensor system, as well as the hardware of the propellers used as the model actuators. The sensor system is based on the emission and reception of high frequency synchronized accoustic signals (ultra-sound). A 3-D spherical method based on the minimization of a quadratic measure of the error is used to estimate the position of the ship model. Furthermore the extended Kalman filter is also used. The difficulties found during the development of the project are presented as well as the solutions adopted to circumvent them. The experimental results obtained are discussed. In particular, the influence of both the local atmosphere and the lab environment on the performance of the sensor system are taken into account.