P6. Modelagem e projeto de veículos subaquáticos distribuídos para inspeção e manutenção de instalações industriais

Esta pesquisa será coordenada pelo Grupo de Simulação e Controle em Automação e Robótica (GSCAR) da UFRJ. Ele foi criado em 1991 para conduzir pesquisa teórica e aplicada nas áreas de processo industrial e robótica. Desde sua criação, robôs subaquáticos tem sido uma das atividades de pesquisa principal, apoiada pelo CENPES/Petrobras, motivada pela exploração em águas profundas (agora além de 6.000 pés). Um pacote de simulação em tempo real para ROV tem sido desenvolvido para treinamento de pilotos e avaliação de sistemas de controle. Um sistema de posicionamento dinâmico em escala real para ROVs usando um braço robótico passivo foi desenvolvido para inspeção e intervenção subaquática, tarefas difíceis para teleoperação por operador humano. Este sistema foi testado com suscesso em testes no mar. Desde 2003, as pesquisas em robôs subaquáticos do GSCAR tem sido testada em uma base oceânica simulada na UFRJ. Esta infra-estrutura foi projetada para testar estruturas e equipamentos usados em plataformas em mar profundo para exploração e produção de óleo e gás. A base oceânica, a uma profundidade de 15m, é a mais profunda do mundo. Ela é equipada com geradores de onda multi-direcionais sofisticados, capazes de produzir uma representação realística do ambiente oceânico. O simulador basico oceânico estará disponível para testes de ROV e UAV neste projeto. Monitoramento extensivo de sistemas de sensores distribuidos apresentam desafios significativos ao desenvolvimento e implementação. tais sistemas serão caracterizados como sistemas dinâmicos de grande escala com processos e modelos complexos. Nesta pesquisa o enfoque será no desenvolvimento de novos estimadores e algoritmos para posicionamento de sensores em redes de sensores subaquáticas. Além do problema de estimação distríbuida, também é importante gerenciar o recurso limitado de energia e comunicação em cada nó para retransmitir informações ao nó coletor de dados ou aos outros nós de forma eficiente. Serão desenvolvidas novas estratégias de controle baseadas na otimização do fluxo de dados e energia para redes de sensores ad hoc de forma a garantir a vazão dos dados enquanto se conserva a energia.

Sensoriamento distribuído e redes de sensores

O problema de sensoriamento será colocado como um problema de estimação da distribuição ótima de um campo que evolui usando uma rede de sensores robóticos. A posição e topologia de conectividade dos sensores são escolhidas para melhorar a qualidade das estimativas. Os seguintes aspectos relacionados ao projeto e implementação de uma rede de sensores efetiva serão priorizados:

Amostragem adaptativa: Serão desenvolvidos algoritmos ótimos de atualização para a posição de sensores ou seleção de sensores para melhorar a estimativa de variáveis de campo específicas. O desafio aqui é que a dinâmica desses campos não são conhecidas de forma precisa, e existe ruído na saída do sensor e na estimativa da posição do robô.

Rastreamento de bordas e frenteiras: No caso de sensores robóticos móveis (por exemplo, veículos aéreos de asa fixa), os robôs precisam rastrear um conjunto específico de alvos ou a fronteira de uma região de interesse. Serão desenvolvidos algoritmos para rastreamento e cobertura para este propósito.

Gerenciamento de energia, fluxo, roteamento, mobilidade: Os sensores distribuídos precisam retransmitir informação para os pontos coletores de dados. Serão desenvolvidos algoritmos de coordenação para gerenciar o uso de energia, fluxo de informação, e posição dos sensores para facilitar o fluxo geral de informação enquanto mantém restrições de consumo de energia.

Validação: Será desenvolvido um ambiente de simulação de redes de sensores de forma compartilhada às outras instituições participantes da proposta. Os resultados da pesquisa serão testados em UAVs pequenos da USP, em aéronaves do CTI e UFMG, e nos veículos autônomos pesados da USP.

Controle Distribuído

Em redes de sensores, assume-se que os sensores podem ser posicionados de forma arbitrária (sujetitos a determinadas restrições). Na realidade, o controle de veículos robóticos, aéreos ou subaquáticos, também possui desafios significativos. Neste projeto, será dado ênfase aos seguintes aspectos:

Modelagem e controle de veículos robóticos: Desenvolvimento de novas técnicas de controle não-linear para seguimento de trajetória. Os aspectos principais abordados serão as incertezas no modelo do veículo, natureza sub-atuada de ROVs e AUVs, e a falta de realimentação sensorial confiável a respeito da localização do veículo.

Controle de veículos baseado em visão: Para melhorar a localização de veículos e o desempenho do controle, a realimentação visual é um importante componente tanto em veículos aéreos quanto em subaquáticos. Técnicas novas de estimação baseada em visão serão desenvolvidas com aplicação tanto para AUVs e UAVs.

Navegação coordenada de um time de veículos: O objetivo é coordenar um grupo de veículos robóticos para tarefas de exploração e monitoramento distribuído. A coordenação de tal time de forma descentralizada requer o desenvolvimento de novos algoritmos como também considerações a respeito da banda de comunicação e distribuição de informação.

Manipulação coordenada: Serão considerados ROVs e AUVs equipados com anipuladores robóticos para tarefas de manutenção, reparo, e montagem. neste caso, as forças de contato também precisarão ser cuidadosamente gerenciadas. Serão desenvolvidos algoritmos distribuídos de controle de força e movimento para tais cenários. Serão desenvolvidas plataformas de simulação de veíclos AUV e UAV compartilhadas entre todos as instituições participantes.

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