Simulador de veículos subaquáticos não tripulados e estruturas do tipo cabo

Abstract

O ambiente subaquático e essencial para a vida. Além de seu efeito regulador em escalaglobal e de uma fonte de diversidade de vida, os recursos existentes em suas profundezas são essenciais para a sociedade moderna e a economia global, como é caso da indústria do petróleo e do gás offshore. Isso motiva o interesse da comunidade científica e o desenvolvimento da tecnologia necessária para explorar essa região relativamente desconhecida. Veículos não tripulados e estruturas como cabos/risers são equipamentos que tem atraído interesse especial na pesquisa de tecnologias subaquáticas. O objetivo do presente trabalho é prover uma ferramenta gráfica para análise do comportamento dinâmico de veículos subaquáticos não tripulados e deestruturas flexíveis do tipo cabo. A ferramenta fornece um cenário virtual de visualização realista tridimensional de um meio submerso, no qual animações dos equipamentos estudados são executadas, com base nos resultados de simulações numéricas de modelos dinâmicos destes. O software também é útil para analisar e planejar tarefas a serem executadas pelos veículos não tripulados. Essas são consideradas as principais contribuições desta dissertação. Inicialmente, apresenta-se a modelagem cinemática e dinâmica do veículo, desenvolvida considerando a interação entre o este, o meio aquático e a ação dos propulsores. A dinâmica de estruturas flexíveis do tipo cabo é modelada através de um processo de discretização, onde o cabo é considerado como uma cadeia cinemática serial com elos rígidos que são conectados entre si por juntas que permitem movimentos elásticos de azimute, elevação e torção. Então, utiliza-se o formalismo de Euler-Lagrange para a obtenção das equações dinâmicas do movimento. A interação entre o veículo não tripulado e o cabo, como é o caso da maioria dos veículos remotamente operados (ROV) é tratada como se o ROV fosse a carga terminal vinculada ao cabo, mas com dinâmica própria, onde são aplicadas forças externas. Para o desenvolvimento do software de animação tridimensional, foi realizado um estudo sobre modelagem e animação gráfica, tendo-se definido Python como a plataforma de programação. A interface com o usuário foi criada com o Qt framework, usando PyQt para isso. Para a animação, o Blender Game Engine foi selecionado. O ambiente virtual subaquático consiste em uma embarcação posicionada na origem do sistema de referência inercial, e um objeto tridimensional ROV que representa o veículo subaquático.As simulações consideram as interações entre as dinâmicas do veículo e do cabo umbilical, e os resultados são observados nas animações tridimensionais produzidas pelo software. O processo de modelagem do veículo e do cabo umbilical são apresentados juntamente com os aspectos de projeto e implementação do software. As animações produzidas foram analisadas qualitativamente, e se verificou que as simulações foram consistentes do ponto de vista físico, o que permite afirmar que o software cumpre seu objetivo de prover um ambiente virtual realista.

The underwater environment is essential to life. Besides its regulating effect in global scale and to be a source of life diversity, the existing resources in its depths are essential to the modern society and the global economy, as in the offshore oil and gás industry. This motivates the interest of the scientific community and the development of the technology necessary to explore this relatively unknown region. Unmanned vehicles and structures like cables/risers are equipments that have drawn special interest in the underwater technology research.The objective of the present work is to provide a graphical tool for analysis of underwater unmanned vehicles and cable-like flexible structures dynamic behavior. The tool provides a realistic, tridimensional virtual scenario of a submersed environment, where animations of the studied equipments are played, based on the results of numerical simulations of the dynamic models of them. The software is also useful to analyze and plan tasks to be executed by unmanned vehicles. These are considered as the main contributions to this dissertation. At first, it is presented the kinematic and dymamic modeling of unmanned vehicles, considering the interaction between it,the aquatic environment and the action of thrusters. The dynamics of cable-like structures is modeled through a discretization process, where the cable is considered as a serial kinematic chain where rigid links are connected by joints that allow elastic movements of azimuth, elevation and torsion. Then, the Euler-Lagrange formalism is employed to obtain the dynamic equations of motion. The interaction between the unmanned vehicle and the cable, as is the case of most remotely operated vehicles (ROV) is treated as if the ROV was the terminal load attached to the cable, but with its own dynamics, where external forces are applied. To develop the tridimensional animation software, a study of graphical modeling and animation was made, and Python was defined as the programming platform. The user interface was created on the Qt framework, using the PyQt API. For animation, the Blender Game Engine was selected. The virtual underwater environment consists in a surface vessel positioned at the origin of the inertial reference system, and a ROV that represents the underwater vehicle. The simulations consider the interactions between the dynamics of the vehicle and the umbilical cable, and the results are observed in the tridimensional animations produced by the software. The modeling process of the vehicle and the tether is presented along with the project and implementation aspects of the software. The animations produced by the software were qualitatively analyzedand it was verified that the simulations were consistent to the physical aspects, thus allowing to infer that the software provides a realistic virtual environment.