The focus of this thesis is to implement factor graphs into the problem of detection, classification, and localization (DCL) of underwater objects using active SOund Navigation And Ranging (SONAR). A factor graph is a bipartite graphical representation of the decomposition of a particular function. Messages are passed along the edges connecting factor and variable nodes, on which, a message passing algorithm is applied to compute the posterior probabilities at a particular node. This thesis addresses two issues. In the first section, the formulation of factor graphs for each section of the DCL chain required followed by their closed-form solutions. For the detector, the factor graph determines if the signal is a detection or simply noise. In the classifier, it outputs the probability for the elements in the class. Last, when using a factor graph for the tracker, it gives the estimated state of the object being tracked. The second part concentrates on the application to Continuous Active SONAR (CAS). When using CAS, a bistatic configuration is used allowing for a more rapid update rate where two unmanned underwater vehicles (UUVs) are used as the receiver and transmitter. The goal is to evaluate CAS's effectiveness to determine if the tracking accuracy improves as the transmit interval decreases. If CAS proves to be more efficient in target tracking, the next objective is to determine which messages sent between the two UUVs are most beneficial. To test this, a particle filter simulation is used. / Master of Science

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.

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.

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.

Devido à grande importância do ambiente aquático sobre a vida humana e às dificuldades inerentes ao seu estudo e exploração, a aplicação de AUVs tem se mostrado bastante benéfica e seu uso vem crescendo ao longo dos anos. Este trabalho apresenta um estudo sobre o desenvolvimento de veículos autônomos submarinos para realização de missões oceanográficas, com foco nas características de seus sistemas embarcados que permitam atender melhor os requisitos desta aplicação. Analisando trabalhos publicados nos últimos anos pode-se notar uma grande quantidade de AUVs desenvolvidos ou adaptados para aplicações em oceanografia, com uma grande variedade de soluções aplicadas em seus diversos sistemas, visando a realização de diversos tipos de missões necessárias para tais estudos. Como estudo de caso, foi apresentada a adaptação do AUV Pirajuba, desenvolvido inicialmente como uma plataforma de testes hidrodinâmicos, para aplicação em missões de levantamento de dados para estudos oceanográficos. Para tal, foi necessário realizar uma série de modificações em seus subsistemas, permitindo a instalação de novos sensores e equipamentos para aumento da segurança nas operações em mar aberto. As modificações necessárias envolveram tanto o sistema hidromecânico do veículo, com instalação de novos módulos no casco, quanto no seu sistema embarcado, implicando no desenvolvimento de uma nova versão do sistema de hardware e uma atualização no software de controle. Tendo em vista esta necessidade, foi proposto um estudo dos requisitos da aplicação oceanográfica de AUVs e os impactos no seu desenvolvimento. Para isso, foi realizado um levantamento dos requisitos das principais aplicações oceanográficas e seus impactos no desenvolvimento dos veículos, envolvendo os sistemas hidromecânico, energia, navegação, comunicação e controle. Foi realizado também um estudo da arquitetura de controle CANARMES, desenvolvida para o AUV Pirajuba, envolvendo os requisitos de seu projeto e as principais características da arquitetura de controle, que serviu como base para a atualização do veículo para as novas aplicações. São apresentados os resultados obtidos em testes de campo realizados no litoral de Ubatuba - SP, nos quais foram feitas manobras com movimentação vertical com a aquisição de dados de diversos sensores oceanográficos, utilizados para o estudo de detecção de camadas finas. / Due to the great importance of the aquatic environment on human life and the inherent difficulties of its study and exploration, the application of AUVs has been shown to be very beneficial and its use has been growing over the years. This work presents a study on the development of autonomous submarine vehicles for the accomplishment of oceanographic missions, focusing on the characteristics of the embedded systems of these vehicles in order to better meet the application requirements. Analyzing published works in the last five years, it can be noticed a great amount of AUVs developed or adapted for applications in oceanography, with a great variety of solutions applied in their embedded systems, involving both hardware and software, aiming at the accomplishment of several types of missions necessary for such studies. As a case study, the adaptation of the AUV Pirajuba, initially developed as a platform for hydrodynamic tests, was presented for application in data collection missions for oceanographic studies. For this, it was necessary to make a series of modifications in its subsystems, allowing the installation of new sensors and equipment to increase the safety in the operations in the open sea. The necessary modifications involved both the vehicle\'s hydromechanical system, with the installation of new modules in the hull, and in its embedded system, requiring the development of a new version of the hardware system and an update in the control software. Due to this necessities, a study was proposed to better understand the requirements of AUVs for oceanographic application and the impacts on their development. For that, a survey was made of the requirements of the main oceanographic applications and their impacts on the development of the vehicles, involving the hydromechanical, energy, navigation, communication and control systems. A study of the CANARMES control architecture, developed for the Pirajuba AUV, was carried out, involving the requirements of its design and the main characteristics of the control architecture, which served as a basis for updating the vehicle for new applications. We present the results obtained in field tests conducted in the coastal area of Ubatuba - SP, Brazil, in which maneuvers were performed with vertical movement, while acquiring data from several oceanographic sensors, used for the study of thin layer detection.

Devido à grande importância do ambiente aquático sobre a vida humana e às dificuldades inerentes ao seu estudo e exploração, a aplicação de AUVs tem se mostrado bastante benéfica e seu uso vem crescendo ao longo dos anos. Este trabalho apresenta um estudo sobre o desenvolvimento de veículos autônomos submarinos para realização de missões oceanográficas, com foco nas características de seus sistemas embarcados que permitam atender melhor os requisitos desta aplicação. Analisando trabalhos publicados nos últimos anos pode-se notar uma grande quantidade de AUVs desenvolvidos ou adaptados para aplicações em oceanografia, com uma grande variedade de soluções aplicadas em seus diversos sistemas, visando a realização de diversos tipos de missões necessárias para tais estudos. Como estudo de caso, foi apresentada a adaptação do AUV Pirajuba, desenvolvido inicialmente como uma plataforma de testes hidrodinâmicos, para aplicação em missões de levantamento de dados para estudos oceanográficos. Para tal, foi necessário realizar uma série de modificações em seus subsistemas, permitindo a instalação de novos sensores e equipamentos para aumento da segurança nas operações em mar aberto. As modificações necessárias envolveram tanto o sistema hidromecânico do veículo, com instalação de novos módulos no casco, quanto no seu sistema embarcado, implicando no desenvolvimento de uma nova versão do sistema de hardware e uma atualização no software de controle. Tendo em vista esta necessidade, foi proposto um estudo dos requisitos da aplicação oceanográfica de AUVs e os impactos no seu desenvolvimento. Para isso, foi realizado um levantamento dos requisitos das principais aplicações oceanográficas e seus impactos no desenvolvimento dos veículos, envolvendo os sistemas hidromecânico, energia, navegação, comunicação e controle. Foi realizado também um estudo da arquitetura de controle CANARMES, desenvolvida para o AUV Pirajuba, envolvendo os requisitos de seu projeto e as principais características da arquitetura de controle, que serviu como base para a atualização do veículo para as novas aplicações. São apresentados os resultados obtidos em testes de campo realizados no litoral de Ubatuba - SP, nos quais foram feitas manobras com movimentação vertical com a aquisição de dados de diversos sensores oceanográficos, utilizados para o estudo de detecção de camadas finas. / Due to the great importance of the aquatic environment on human life and the inherent difficulties of its study and exploration, the application of AUVs has been shown to be very beneficial and its use has been growing over the years. This work presents a study on the development of autonomous submarine vehicles for the accomplishment of oceanographic missions, focusing on the characteristics of the embedded systems of these vehicles in order to better meet the application requirements. Analyzing published works in the last five years, it can be noticed a great amount of AUVs developed or adapted for applications in oceanography, with a great variety of solutions applied in their embedded systems, involving both hardware and software, aiming at the accomplishment of several types of missions necessary for such studies. As a case study, the adaptation of the AUV Pirajuba, initially developed as a platform for hydrodynamic tests, was presented for application in data collection missions for oceanographic studies. For this, it was necessary to make a series of modifications in its subsystems, allowing the installation of new sensors and equipment to increase the safety in the operations in the open sea. The necessary modifications involved both the vehicle\'s hydromechanical system, with the installation of new modules in the hull, and in its embedded system, requiring the development of a new version of the hardware system and an update in the control software. Due to this necessities, a study was proposed to better understand the requirements of AUVs for oceanographic application and the impacts on their development. For that, a survey was made of the requirements of the main oceanographic applications and their impacts on the development of the vehicles, involving the hydromechanical, energy, navigation, communication and control systems. A study of the CANARMES control architecture, developed for the Pirajuba AUV, was carried out, involving the requirements of its design and the main characteristics of the control architecture, which served as a basis for updating the vehicle for new applications. We present the results obtained in field tests conducted in the coastal area of Ubatuba - SP, Brazil, in which maneuvers were performed with vertical movement, while acquiring data from several oceanographic sensors, used for the study of thin layer detection.

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.