Modeling of an Autonomous Underwater Vehicle

Autonomous Underwater Vehicles (AUV) have multiple applications for military, commercial and research purposes. The main advantage of this technology is its independence. Since these vehicles operate autonomously, the need for a dedicated support vessel and human supervision is dismissed. However, the autonomous nature of AUVs also presents a complex challenge for the guidance, navigation and control system(s). The design of motion controllers for AUVs is model-based i.e. a dynamic model is used for the design of the control system. The dynamic model can also be used for simulation and performance analysis. In this context, the purpose of this thesis is to provide a dynamic model for a double-body research AUV being developed at CEiiA. This model is to be subsequently used for the design of the control system. Since the purpose is the design of the control system and, in the scope of providing multiple design approaches, the appropriate lateral and longitudinal subsystems are devised. These subsystems are subsequently validated by comparing simulation results for the subsystems with simulation results for the complete model. The AUV is modeled using Fossen’s dynamic model. The model is divided into kinematics and kinetics. Kinematics addresses the geometrical aspects of motion. For this purpose, both Euler angles and quaternions are used. Kinetics focuses on the relationship between motion and force. This model identifies four distinct forces that act on the underwater vehicle: rigid-body forces; hydrostatic forces; hydrosynamic damping (or drag) and added-mass. The estimation of model parameters is performed using analytical and computational methods. A detailed 3D CAD model, developed by CEiiA, proved helpful for estimating mass and inertia parameters as well as hydrostatic forces. Hydrodynamic damping estimation was performed by adapting CFD analysis, also developed by CEiiA, to satisfy model parameters. Added mass parameters were estimated using proven analytical methods. Due to limitations inherent to current modeling methods, simplifications were unavoidable. These, when analyzed considering the requirements of typical control systems, did not pose an impediment to the use of the dynamic model for this purpose. Regarding the dynamics of this AUV, the hydrodynamic analysis suggests that this AUV is unstable in the presence of angles of attack and side-slip. However the AUV’s motors should be capable of controlling such instabilities.Os veículos subaquáticos autónomos (Autonomous Underwater Vehicles – AUV’s) têm múltiplas aplicações militares, comerciais e para investigação científica. A grande vantagem destes veículos advém da sua independência, sendo que operam sem a necessidade de supervisão humana. No entanto esta capacidade implica que os sistemas de navegação, guia e controlo sejam completamente responsáveis pelo governo do veículo. O sistema de controlo destes veículos é tipicamente projetado tendo como base um modelo dinâmico do mesmo. Este modelo pode ser também usado para simulação e análise de desempenho. O propósito deste trabalho é desenvolver um modelo dinâmico para um AUV de investigação de duplo-corpo, a ser desenvolvido no CEiiA. Dado que o objetivo principal do modelo é projetar controladores e, de modo a fornecer várias abordagens para o efeito, os respetivos modelos (subsistemas) lateral e longitudinal são deduzidos. Estes modelos são posteriormente validados através da comparação de resultados de simulação para os subsistemas com os resultados de simulação para o modelo completo. A modelação deste veículo é efetuada usando o modelo dinâmico de Fossen. Este modelo pode ser dividido em cinemática e cinética. Cinemática aborda os aspetos geométricos do movimento. As equações de cinemática são fornecidas tanto para ângulos de Euler como para quaterniões. As equações de cinética centram-se na relação entre movimento e força. O modelo de Fossen identifica quatro forças distintas que influenciam a dinâmica dos veículos subaquáticos: forças de corpo rígido; forças hidrostáticas; amortecimento (atrito) hidrodinâmico e added mass. Estas forças são modeladas através de métodos analíticos e computacionais. O modelo CAD do veículo, desenvolvido pelo CEiiA, foi usado para estimar os parâmetros de massa e inércia, bem como forças hidrostáticas. O amortecimento hidrodinâmico foi estimado através da adaptação de análises CFD, também efetuadas pelo CEiiA, para satisfazer os parâmetros do modelo. Os parâmetros added mass foram estimados usando métodos analíticos comprovados. Devido a limitações inerentes aos métodos de modelação atuais, simplificações foram inevitáveis. As mesmas, quando analisadas tendo em conta os requisitos de sistemas de controlo típicos não provaram ser impeditivas da aplicação deste modelo para o desenvolvimento dos mesmos. No que diz respeito à dinâmica deste AUV, a análise hidrodinâmica sugere que este AUV é instável quando na presença de ângulos de ataque e derrapagem. No entanto os motores do AUV deverão ser capazes de corrigir tais instabilidades

Guidance and Robust Control of a Double-Hull Autonomous Underwater Vehicle

The aim of this paper is to present, discuss and evaluate two linear control solutions for an Autonomous Underwater Vehicle (AUV). As guidance solution, a waypoint following and station-keeping algorithm is presented. Then a PID design is proposed, through the decoupling of the linear system into three lightly interactive subsystems. A Linear Quadratic Regulator (LQR) design is also presented, based on the division of the linear system into longitudinal and lateral subsystems. A control allocation law is also presented to deal with the underactuation problems. Both controllers proved robust for this operating point although, regarding performance, and, for the performed simulation, the LQR controller proved more responsive.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

ESTUDO DA UTILIZAÇÃO DE VÁLVULA GAVETA SUBMARINA DE ÁGUAS PROFUNDAS EM POÇOS PRODUTORES DE BAIXA LÂMINA D’AGUA

O trabalho consiste em um estudo da utilização de um modelo de válvula gaveta projetada para ser utilizada em poços de produção de petróleo com lâmina d’agua considerada profunda (401 metros à 1500 metros) em poços produtores de águas rasas (até 400m). É apresentado nesse trabalho uma comparação entre as curvas de atuação paraconjuntos FSC (fail safe closed ou fecha quando falha) e FSO (fail safe open ou abre quando falha) identificando suas principais diferenças, operação e pontos de elevada criticidade

INOVPESCA - Redução de capturas acidentais de espécies marinhas protegidas em pescarias costeiras algarvias: inovação de procedimentos e técnicas de mitigação

Relatório técnico iNOVPESCA, Programa MAR2020, MAR-16-01-03-FMP-0020, Universidade do Algarve, CCMARO presente relatório é uma iniciativa do Projecto iNOVPESCA, com o objetivo de documentar o trabalho desenvolvido ao longo do projeto (2018-2021) e incentivar a implementação voluntária de medidas que contribuam para uma melhoria da relação entre as pescas e as espécies marinhas protegidas, especialmente de cetáceos, contribuindo para a sustentabilidade ambiental com a redução de capturas acidentais e sustentabilidade económica do sector das pescarias costeiras Algarvias, podendo servir de exemplo a nível nacional. Este trabalho pretende ser um documento de referência sobre o nível de interação que existe entre pescarias costeiras ao longo da costa algarvia com espécies marinhas protegidas (cetáceos, aves marinhas e tartarugas), e por outro lado, pode servir como aconselhamento para todas as entidades que beneficiam das pescas e que necessitam desta atividade para o seu desenvolvimento económico e social. Para isso foi desenvolvida uma linha de orientação sobre boas práticas assente em dois aspetos chave: - Contribuir para a consciencialização, informação e treino de todas as partes interessadas, no que se refere a medidas de mitigação de conflitos entre pescas e espécies marinhas protegidas; - Promover o uso de práticas responsáveis de pesca e otimizar, em cooperação com o sector pesqueiro, soluções que ajudem a diminuir a mortalidade acidental de cetáceos ou outras espécies protegidas (ex. aves marinhas e tartarugas marinhas) e evitar situações que contribuam para perdas económicas para o pescador (como por exemplo, danos nas artes e perda ou danos no pescado por predação). As interações entre espécies marinhas protegidas e as pescas são um problema mundial com duas componentes importantes, a da conservação, quando os animais como captura não intencional ficam presos nas artes de pesca acabando por morrer, e a socioeconómica quando os animais causam danos nas artes de pesca e na captura alvo dos pescadores.Programa MAR2020, MAR-16-01-03-FMP-0020info:eu-repo/semantics/publishedVersio