Algoritmo fast-time e indicadores gráficos para análise de trajetórias assistidas por rebocadores em águas restritas e condições ambientais diversas

Esse trabalho apresenta uma proposta de implementação de um algoritmo fast-time para simulação de manobras de navios, ou seja, um simulador com modelos simplificados que permite análises rápidas tanto para simulações massivas, usadas para otimizações e levantamentos estatísticos, como para auxiliar a tomada de decisões de operação em tempo real. Nesse contexto, também são propostos indicadores gráficos que facilitam a interação com o usuário, cada qual justificado dentro de seu escopo com exemplos de aplicação. Mantendo o foco em trajetórias assistidas por rebocadores em águas restritas, condição das manobras portuárias, os modelos dinâmicos são selecionado com base no trade-off entre tempo de execução e precisão, de modo que fatores como forças ambientais de vento, correnteza e onda, ou a dinâmica dos rebocadores e propulsores envolvidos, tenham o mínimo de representatividade para garantir a confiabilidade dos resultados. Ao final, são propostas algumas melhorias e outras aplicações que podem ser exploradas com algumas modificações no algoritmo

Inertial navigation methods applied to submarine launching.

A demanda crescente por petróleo impulsiona a exploração marítima desta riqueza para águas cada vez mais profundas. O aumento da lâmina dágua exige novas soluções de engenharia principalmente no que se refere à operação de unidades flutuantes de produção. Dentre os desafios impostos pelos novos ambientes de prospecção, destaca-se o processo de ancoragem, neste texto explorado sob a ótica da chamada estaca-torpedo. Embora já tenha sido empregada com sucesso na ancoragem de risers e FPSOs, esta solução encontra-se em constante desenvolvimento, sendo a principal fonte de informação acerca dos lançamentos da estaca-torpedo proveniente de uma unidade de medição inercial (UMI). A presente pesquisa baseou-se no estudo desta UMI e teve como objetivos principais verificar seu desempenho e compreender a empregabilidade deste tipo de monitoração em operações submarinas de maneira mais ampla. Além do estudo detalhado dos sensores, foi dada especial atenção aos algoritmos empregados no tratamento dos sinais provenientes da UMI. Foram estudadas técnicas de correção do sinal, quantificação de ruído, desafios inerentes aos sistemas do tipo strapdown e o processo de integração. Como resultado final foi desenvolvido um algoritmo baseado em quatérnios, alternativo ao atualmente empregado para o processamento dos sinais provenientes da UMI que equipa a estaca-torpedo.The increasing demand on crude oils constantly pushes the offshore exploitation to deeper waters. As the water depth grows, new engineering challenges arise, especially concerning to the operation of floating production units. Among all the technical issues inherent to the new prospection environment, the mooring system is a significant topic and the development of the torpedo-pile takes place at this scenario. This mooring system has already been successfully applied in anchoring risers and FPSOs; nevertheless, it is in constant study and improvement. The major source of information about the torpedo-pile deployment comes from an inertial measurement unit (IMU). The research presented here is based on this IMU and had as main objective verify its performance and also comprehend the applicability of such kind of unit in other subsea processes. Along with the detailed sensors study, it was given special attention to the algorithms used to process the signals from the IMU. Signal correction techniques and noise quantification were investigated as long as challenges intrinsically related to strapdown navigation systems and the integration process. In the end, an alternative data processing algorithm based on quaternions was produced, to be employed in torpedo-pile launching together with its IMU

Wave feed-forward baseado em imagem para sistema de posicionamento dinâmico.

The Dynamic Positioning (DP) systems currently available employ a feedback controller based on the position and heading error, associated with a wind feed-forward control action to keep the vessel position. This last technology improves the eficiency of the DP by anticipating wind loads. However, there is no consolidated technology to feed the controller with wave loads information and the major issue is related to the wave measurement process. The present thesis aims at filling this technological gap by proposing an alternative approach for the measuring of waves near the vessel. Image-based measurement methods are noninvasive and can produce a spatial and temporal description of the surface, making them suitable for recovering the geometry of liquid surfaces. Nevertheless, these surface reconstruction methods, particularly those applying stereoscopic approaches, have dificulty in measuring waves produced in laboratory facilities, mainly because, in such conditions, the water surface is smooth, translucent and highly specular. Alternatively, intensity based image methods are capable of dealing with these surface characteristics, if employed under controlled conditions and if a suitable reflectance model is selected. In the present study, a well-known reflectance model is applied to recover the parameters of regular waves produced in an offshore basin. Firstly, an experimental setup is proposed, designed to grant appropriate conditions for the application of the reflectance model, even under conventional laboratory illumination. Later, the second set of experiments with a model scale DP vessel are presented, which applied the image-based method developed before as a wave feed-forward system. Three control methods are evaluated, namely: PID, PD (Proportional-Derivative) and the PD with the wave feed-forward. Results demonstrated that the presence of the wave feed-forward reduced the steady error of the PD controller. These are the first steps towards the practical use of the wave feed-forward, and several aspects remain pending. However, the promising results and discussions regarding the future steps define the contribution of this work.Os sistemas atuais de Posicionamento Dinâmico (DP) empregam técnicas de controle baseadas na realimentação da posição e do aproamento, associadas à compensação antecipada das cargas de vento (wind feed-forward) para manter a posição da embarcação. Esta tecnologia melhora a experiência do DP, pois antecipa a ação do vento. Entretanto, não há tecnologia consolidada para a pré-compensação de forças ondas (wave feed-forward) e o maior desafio reside na medição desses agentes ambientais. A presente tese tem como objetivo preencher essa lacuna tecnológica propondo uma abordagem alternativa para a medição das ondas próxima ao casco. Métodos de medição baseados em imagem são não invasivos e produzem descrições espaciais e temporais da superfície analisada, tornando-os particularmente adequados à medição de superfícies líquidas. Entretanto, os métodos comumente empregados, principalmente aqueles baseados em imagens estéreo, são incapazes de medir ondas produzidas em ambiente de laboratório, pois, nestas condições, a superfície da água é lisa, apresenta transparência e comporta-se como um espelho. Por outro lado, métodos baseados na intensidade de luz são capazes de lidar com tais características, se aplicados em condições adequadas e quando empregam modelos apropriados. Neste trabalho, um modelo de reetância amplamente conhecido é empregado para extrair os parâmetros principais de ondas regulares produzidas em um tanque de provas offshore. Inicialmente, propõe-se um arranjo experimental que permita a aplicação do modelo de refetância construído, mesmo sob as condições de iluminação naturais do laboratório. Posteriormente, um segundo conjunto de experimentos com um modelo de embarcação DP é proposto, no qual se aplica o método baseado em imagem, testado anteriormente, como sistema de pré-compensação de forças de onda. Três métodos de controle são avaliados, quais sejam: PID (Proporcional-Integral-Derivativo), PD (Proporcional-Derivativo) e o PD-WFF (PD associado ao wave feed-forward). Os resultados demonstram que a presença pré-conpensação de forças de onda reduz o erro em regime do controlador PD. Estes são os primeiros passos em direção da incorporação da pré-compensação de forças de onda nos sistemas DP reais e diversos aspectos técnicos ainda estão pendentes. Entretanto, os resultados promissores e discussões acerca dos futuros passos da pesquisa definem a contribuição do presente trabalho no campo do Posicionamento Dinâmico

Algoritmo fast-time e indicadores gráficos para análise de trajetórias assistidas por rebocadores em águas restritas e condições ambientais diversas

Esse trabalho apresenta uma proposta de implementação de um algoritmo fast-time para simulação de manobras de navios, ou seja, um simulador com modelos simplificados que permite análises rápidas tanto para simulações massivas, usadas para otimizações e levantamentos estatísticos, como para auxiliar a tomada de decisões de operação em tempo real. Nesse contexto, também são propostos indicadores gráficos que facilitam a interação com o usuário, cada qual justificado dentro de seu escopo com exemplos de aplicação. Mantendo o foco em trajetórias assistidas por rebocadores em águas restritas, condição das manobras portuárias, os modelos dinâmicos são selecionado com base no trade-off entre tempo de execução e precisão, de modo que fatores como forças ambientais de vento, correnteza e onda, ou a dinâmica dos rebocadores e propulsores envolvidos, tenham o mínimo de representatividade para garantir a confiabilidade dos resultados. Ao final, são propostas algumas melhorias e outras aplicações que podem ser exploradas com algumas modificações no algoritmo