Modelo dinâmico para um veículo rebocado towfish

Abstract

O estudo dos oceanos é um assunto que ganhou grande atenção de pesquisadores nas últimas décadas devido sua importância na economia mundial, navegação, pesca, geração de energia, turismo, e pela sua riqueza em biodiversidade. Em 2012, foi iniciado o Projeto de construção do Veleiro de Expedições Científicas Oceanográficas pela Universidade Federal de Santa Catarina, que criou uma demanda por equipamentos oceanográficos para a realização das atividades de pesquisa a bordo do Veleiro. Para a aquisição de dados, foi proposto o uso de um towfish, que é um veículo subaquático bastante versátil, utilizado em diversas aplicações, entre elas militares, comerciais e para pesquisa. Em 2019 foi proposto um estudo para o desenvolvimento do towfish ECO I, que foi transferido para o Laboratório de Simulação Naval (LASIN), no campus de Joinville da Universidade Federal de Santa Catarina. Para a coleta de dados a partir do uso do veículo rebocado ser confiável e eficaz, é necessário conhecer seu comportamento dinâmico e se necessário, implementar um sistema de controle ativo para garantir sua estabilidade. Para isso foi proposto neste trabalho o desenvolvimento de um modelo dinâmico a partir das equações analíticas que a bibliografia apresenta. Para resolver o sistema de equações encontrado, foi implementado um arquivo na linguagem de programação Python, utilizando a biblioteca SciPy, que fornece algoritmos de otimização, integração, solução de equações diferenciais, entre outras aplicações. Os resultados obtidos mostraram que o towfish apresenta o comportamento de entrar em estado de equilíbrio com ângulo de Pitch diferente de 0, ou seja, inclinado em relação ao eixo horizontal. Além disso, com diferentes valores de velocidade e posição iniciais, foi possível observar que o veículo submerge com velocidade estabilizada, e esse efeito somado ao ângulo de inclinação fazem com que ocorra um deslocamento horizontal. Foi possível observar também que o veículo apresenta uma tendência de aumentar o ângulo de pitch quando a velocidade longitudinal não é nula. No final do trabalho, são apresentadas algumas sugestões para trabalhos futuros.

The study of the oceans is a subject that has attracted attention from researchers in recent decades due to its importance in the world economy, navigation, fishing, energy generation, tourism, and biodiversity. In 2012, the Federal University of Santa Catarina began the project to build the Sailboat for Scientific Oceanographic Expeditions, which created a demand for oceanographic equipment to carry out research activities on board the Sailboat. For data acquisition, it was proposed to use a towfish, which is a very versatile underwater vehicle used in several applications, including military, commercial, and research. In 2019, a study was initiated for the development of the towfish ECO I, which was transferred to the Naval Simulations Laboratory (LASIN) at the Joinville campus of the Federal University of Santa Catarina. For data collection using the towfish to be reliable and effective, it is necessary to know its dynamic behavior and, if necessary, implement an active control system in order to guarantee its stability. This work proposes the development of a dynamic model for the towfish ECO I based on the analytical equations presented in the literature. To solve the system of equations found, a file was implemented using Python programming language, using the SciPy library, which provides algorithms for optimization, integration, and solving differential equations, among other applications. The results obtained showed that the towfish has the behavior of entering a state of equilibrium with a pitch angle value different than 0, that is, inclined in relation to the horizontal axis. In addition, with different values of speed and initial position, it was possible to observe that the vehicle sinks with a stabilized speed, and this effect added to the pitch angle causes a horizontal displacement to occur. Some suggestions for future research are presented at the end of the paper.