Modelagem matemática de cabos umbilicais e veículos subaquáticos não tripulados

Abstract

A modelagem dinâmica de veículos subaquáticos não tripulados do tipo ROV (Remotely Operated Vehicle) incluindo a dinâmica do cabo umbilical consiste em um desafio de grande complexidade, sendo esta a razão da maioria dos autores negligenciar a dinâmica do cabo. Esta dissertação propõe um formalismo matemático que torne possível simular as duas dinâmicas, do cabo e do ROV, simultaneamente. Inicialmente, apresenta-se a modelagem cinemática do veículo, utilizando o método de Ângulos de Euler para transformações entre referenciais. O modelo dinâmico do veículo é desenvolvido considerando a interação entre o veículo e o meio aquático e a ação dos propulsores. A perturbação provocada pelo cabo é modelada a partir de um formalismo que trata a flexibilidade contínua do cabo aproximada de forma discreta. Elos rígidos são conectados por articulações fictícias que permitem movimentos elásticos de azimute, elevação e torção. O ROV passa a ser a carga terminal do cabo, fixo à sua extremidade livre, mas possuindo dinâmica própria, principalmente influenciada pelos seus atuadores. As simulações mostraram resultados fisicamente esperados. Dessa forma, conclui-se que o formalismo que acopla as dinâmicas do cabo e do ROV consiste em uma interessante ferramenta para o desenvolvimento de projetos de veículos subaquáticos remotamente operados.

The dynamic modeling of unmanned underwater vehicles type ROV (Remotely Operated Vehicle) including the dynamics of the umbilical cable is still an open problem of great complexity, which is why most authors neglect the dynamics of the cable. This dissertation proposes a formalism to couple the dynamics of cable and ROV. Initially, it is presented the kinematic modeling of the vehicle, described by the method of Euler angles transformations between reference frames. The dynamic modeling of the vehicle is developed considering the interaction between the vehicle and the aquatic environment and the action of the thrusters. Disturbances caused by the cable are modeled using a method based on a formalism that treats continuing flexibility of the cable as approximate discreetly. Rigid links are connected by joints that allow fictitious elastic movements of azimuth, elevation and twist. The ROV becomes the terminal load of the cable, attached to its free end, but having its own dynamics, mainly influenced by its actuators. The simulations showed physically expected results. Therefore, we conclude that the formalism that couples the dynamics of the cable and the ROV is presented as an interesting tool for the projects development of remotely operated underwater vehicles.