Desenvolvimento de uma interface para a simulação com animação tridimensional de estruturas flexíveis do tipo Cabo

Abstract

Aplicações tecnológicas voltadas ao ambiente subaquático têm atraído a atenção da comunidade científica, especialmente no caso de pesquisas relacionadas à exploração do petróleo e gás offshore. Destas aplicações, destacam-se diversos tipos de estruturas flexíveis como cabos e risers, bem como veículos subaquáticos não tripulados, como é o caso dos ROVs (Remotely Operated Vehicles, ou Veículos Remotamente Operados). A presente dissertação insere-se neste contexto. Inicialmente, foram pesquisados formalismos de modelagem dinâmica de estruturas flexíveis do tipo cabo, bem como de modelos dinâmicos de ROV. Escolheu-se um formalismo discreto para a modelagem dinâmica de cabos, o qual aproxima o cabo por diversos elos rígidos conectados entre si por juntas esféricas, cada uma permitindo movimentos rotacionais em três graus de liberdade: elevação, azimute e torção. Foram desenvolvidos algoritmos para gerar os modelos dinâmicos de forma automática, em função do número de elos usados para aproximar de forma discreta a flexibilidade contínua. O ambiente a ser simulado consiste em um cabo fixo em uma de suas extremidades, como uma embarcação na superfície, que a conecta a um ROV na outra extremidade. Este é considerado a carga terminal do cabo, que é vinculado a ele por uma junta esférica. Uma vez testada a consistência dos resultados de simulação, foi desenvolvido um software que gera uma visualização em três dimensões dos resultados, objetivo principal da presente dissertação. O software foi desenvolvido utilizando-se a linguagem de programação Python e a biblioteca gráfica OpenGL (Open Graphics Library). Bibliotecas foram desenvolvidas para criar a modelagem do mundo virtual com visualização por câmeras sintéticas. A interface do usuário foi baseada no framework Qt, através da biblioteca PyQt. Analisaram-se, de forma quantitativamente, as animações tridimensionais realizadas no aplicativo desenvolvido e constatou-se que as simulações apresentaram-se de acordo com o esperado fisicamente.

Technological applications related to the underwater environment have attracted the attention of the scientific community, especially in the case of research related to the oil/gas offshore exploration. From these applications, flexible structures as cables and risers, and unmanned underwater vehicles, such as ROVs (Remotely Operated Vehicles) are of particular interest. The present dissertation is inserted in this context. Initially, dynamic modeling formalisms of flexible structures as cables and ROV vehicles were studied. It was chosen a discrete formalism for dynamic modeling of cables, where a cable is represented by a serial chain of rigid links connected by spherical joints, each one allowing rotational movement in three degrees of freedom: elevation, azimuth and twist. Algorithms to automatically generate dynamic models as function of the number of links used to approximate the discrete serial chain to the real continuous flexibility were developed. The environment to be simulated consist in a cable that is fixed at one end, as in a vessel in the water surface, connecting it to a ROV at the other end. This is considered as the cable terminal load, and it is linked to the cable by a spherical joint. Once the consistency of the simulation results was validated, a software was developed which aims to generate three dimensional views of the environment. This is the main objective of this dissertation. The software was developed based on the Python programming language and the OpenGL (Open Graphics Library) graphics library. To graphically model the environment, libraries were developed to represent virtual worlds viewed by synthetic cameras. The user interface was based on the Qt framework, using the PyQt library. Three dimensional animations generated by the software were qualitatively analyzed and it was observed that the simulations behaved as it was physically expected.