Gêmeo Digital de um navio em manobras: estimação em tempo real de coeficientes de deriva e resistência a partir da movimentação e comandos de leme e propulsor.

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Sasaki, Humberto Akira Uehara
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Coeficientes de resistência e deriva; Digital Twin (DT); Dinâmica de manobras de navios; Drift and resistance coefficients; Filtros de Kalman; Gêmeo digital; Ship maneuvering dynamics; Unscented Kalman Filter (UKF)
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-03012024-100348/

O presente trabalho aborda o problema de modelagem referente às etapas iniciais de uma implementação de um Gêmeo Digital (DT) de um navio em manobras, mais especificamente se concentrando em estimar em tempo real os principais coeficientes hidrodinâmicos de uma embarcação - os coeficientes de deriva e resistência. O procedimento consiste em duas etapas distintas: uma se referindo à navegação em alto mar e a outra em águas restritas ou portuárias. Em ambos, o método escolhido se deu através do Filtro de Kalman em sua versão Unscented (UKF), cujas medições são os movimentos obtidos por GNSS, Girocompasso e IMU e as entradas, os comandos para o propulsor e o leme. Uma prova de conceito foi testada em um ambiente simulado chamado pyDyna - um simulador de manobras implementado em Python embasado no modelo matemático adotado no Centro de Simulação de Manobras do Tanque de Provas Numérico da Universidade de São Paulo (TPN-USP). Dados de sensores de movimento foram emulados ao acrescentar um ruído branco Gaussiano nos valores advindos em tempo real do simulador, visando uma melhor representação de um cenário prático com medições imperfeitas. Resultados obtidos se mostraram com relativa boa aderência e baixo custo computacional, possivelmente apresentando o método como um conveniente avaliador preliminar de parâmetros até outros métodos de melhor acurácia e dispendiosos como CFD serem executados (pelo menos para um dos parâmetros hidrodinâmicos no estado atual deste trabalho). Não obstante, além de se obter uma implementação prática de DT, outros problemas devem ser estudados, como design da arquitetura, rede de comunicação, motivação da digitalização, etc., assuntos que não serão abordados aqui. Ao invés disso, este trabalho se concentrou em desenvolver um modelo geral de sistema coerente, que almeja ser um pilar para futuras implementações de DT. Alguns exemplos que podem eventualmente implementar essa tecnologia são: análise de performance devida à degradação do casco, leme ou propulsor; auxílio na tomada de decisão para manutenções programadas e até monitoramento remoto.