A modelagem da dinâmica de veículos submarinos em espaço de estados é um assunto muito difundido na área da Engenharia Naval, tanto que diversos autores tratam desse assunto, como é o caso de Abkowitz (1972), Fossen (1994 e 2002), Newman (1977) e Lewis (1990). Desta forma, ao iniciar este trabalho, foi apresentada uma modelagem inicial básica, de forma a embasar os métodos de identificação utilizados no decorrer desse projeto, e para facilitar o entendimento do comportamento do AUV quando em operação. Outro trabalho mais recente também desenvolvido nesta área de modelagem e identificação de AUV’s pode ser visto em Luque (2012), que utiliza filtros de Kalman estendido e o método de verossimilhança para estimar os coeficientes hidrodinâmicos do veículo.
Durante o desenvolvimento desse projeto foi necessário atentar?se aos parâmetros de caracterização da estabilidade e manobrabilidade de veículos submarinos, para que fosse possível descrever o comportamento do AUV de forma correta. Neste caso foram utilizados os trabalhos de Newman (1977), Nomoto (1960) e Journée (1970 e 2002) como base para os estudos. No caso da modelagem das equações adotou?se a convenção da SNAME (1950).
Sendo o foco da pesquisa relacionado a experimentos com modelos auto?propelidos dos veículos subaquáticos, considerou?se também a investigação de sensores de movimento, cujas informações alimentam os algoritmos de identificação estudados. Pode?se mencionar os sistemas inerciais, bússolas magnéticas, profundímetros, velocímetros Doppler e sistemas acústicos de posicionamento. Informações sobre tecnologias de sensores inerciais e suas aplicações são apresentadas por Lawrence (1998), Junqueira (2003), Zanoni (2007 e 2012) bem como uma análise de técnicas para aperfeiçoar a utilização de suas medições podem ser encontradas em Crossbow (2002).
Os sistemas de posicionamento acústicos atuais como o GIB (em inglês GPS Intelligent Buoy), o LBL (em inglês Long Baseline), o SBL (em inglês Short Baseline) e o USBL (em inglês Ultra Short Baseline), para veículos submarinos não tripulados tais como AUVs e ROVs, têm apresentado seus princípios de funcionamento e suas finalidades de utilização em Desset et al. (2003), Alcocer et al. (2006), LaPointe (2006), Morgado e Silvestre (2009), Whitcomb et al. (1999) e Milne (1983). As técnicas de calibração e alinhamento do sensor de efeito Doppler são apresentadas por Kinsey e Whitcomb (2007),
este artigo utiliza o método de mínimos quadrados, para fazer a estimativa de uma matriz de calibração.
Várias técnicas de identificação de sistemas através de sinais determinísticos já foram aplicadas a modelos de manobra de veículos aquáticos, de maneira geral, sendo que os sinais mais comuns aplicados são os de tipo pulso, degrau e senoidal. Métodos de identificação de sistemas baseados nesses sinais de excitação são apresentados em Aström e Wittenmark (1997), Camacho e Bordons (2004), Garcia (2005 e 2011), Ljung (1999), Soderstrom e Stoica (1989) e Eykhoff (1974). Em relação ao estudo de técnicas de identificação de sistemas referentes a veículos submarinos, foi visto em Booth (1975), Kim et. al (2002), Alessandri et. al. (1998), e Tinker et al. (1979), de Barros et. al. (1992), Luque (2012), Avila (2008) onde são utilizados os sinais do tipo pulso, senoidal e PRBS e também as manobras de zig zag e giro em experimentos para identificar a dinâmica de modelos livres e compará?los com modelos cativos, onde também são destacadas as dificuldades da realização de tais experimentos.
O estudo da identificação da manobrabilidade do AUV foi dividido em relação aos planos horizontal e vertical. Em relação a esta etapa de identificação da dinâmica do veículo no plano horizontal, foram realizadas manobras de giro e zig?zag com o AUV Pirajuba, para que fosse possível estimar a qualidade da manobrabilidade do veículo. Desta forma, foi utilizada a equação de primeira ordem de Nomoto (1960) e Journée (1970 e 2002), onde através de manobras de zig?zag é possível estimar os índices de qualidade K e T, que predizem com grande confiabilidade a manobrabilidade do veículo através de seu ângulo de rumo e suas derivadas. Com o objetivo de aprimorar as predições de movimento e comparar com o desempenho da equação de Nomoto foram utilizados os filtros ou regressores lineares de identificação ARX, ARMAX, BJ e suas variações para estimar equações de ordem superiores, utilizando o método dos mínimos quadrados para minimizar a função custo objetivo, como visto em Kirk (1998), Garcia (2011), Tao et. al. (2012) e Ljung (1999). Ainda assim, foram utilizadas técnicas de processamento de dados em paralelo, Abkowitz (1980), para refinar as predições dos filtros lineares na identificação dos coeficientes de manobra.
Para a identificação no plano vertical foram utilizados como base os trabalhos de Tinker (1979) e Booth (1975), que utilizam o sinal de pulso e de Barros et. al. (1992), que utiliza o sinal binário pseudo?aletório (PRBS) como técnica de identificação de sistemas para identificar o movimento de um AUV. Com isso foram utilizados os mesmos filtros de identificação mencionados anteriormente para o plano horizontal realizando manobras distintas das executadas no plano horizontal, sendo elas realizadas através da excitação do sinal de pulso e de PRBS, aplicadas diretamente nos hidroplanos (profundores) e como a referência do controlador de profundidade, respectivamente com objetivo de predizer o
comportamento do veículo através do ângulo de caturro (pitch) e também analisando a sua taxa de profundidade pela entrada dos hidroplanos. Para esse plano foram estimadas funções de transferência de segunda e quarta ordem, pois foi percebido através do processo de identificação, um desempenho superior dessas funções em relação às de primeiro grau sem elevar os custos computacionais.
De forma a aliviar a tarefa de identificação aplicada ao veículo em movimento, pode? se estimar alguns dos parâmetros de distribuição de massa através de técnicas mais simples aplicadas ao veículo no ambiente de laboratório. Para realizar estas estimativas, foi realizada a experiência de um pêndulo bifilar, que através de seu período de oscilação e a forma como esse pêndulo é montado, foi possível obter os valores de Iy, Iz e do C.G. Depois de obtidos os respectivos valores, foram realizadas comparações com esses índices estimados através do software de CAD 3D Solidworks. Os procedimentos para a realização da experiência de pêndulo bifilar podem ser encontrados em Hewitt e Waterman (2005) e Chai (2007). Para a implementação de manobras no AUV e para a verificação dos dados técnicos do mesmo, foram utilizados como referência de estudos os trabalhos de Costello et al. (1995), Pascoal et al. (1994), Kojima et al. (1998), Dantas et al. (2011), de Barros et al. (2006 , 2008a , 2008b).