PhD Thesis by Nuno Pessanha Santos
PhD Degree in Electrical and Computer Engineering from Instituto Superior Técnico (IST), faculty of the Lisbon University, Lisbon, Portugal, 2020
This thesis aims to develop a monocular vision system to track an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) p... more This thesis aims to develop a monocular vision system to track an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) pose (3D position and orientation) relative to the camera reference frame during its landing on a ship. The vast majority of accidents and incidents occur during take-off or landing since, in the vast majority of systems, an external pilot takes control. Having less human intervention increases system reliability and alleviates the use of certified pilots. Due to UAV size and weight, take-off is easily performed by hand, so the main focus will be in the landing maneuver. The vision system is located on the ship’s deck, which reduces demands on the UAV’s processing power, size, and weight. The proposed architecture is based on an Unscented Particle Filter (UPF) scheme with two stages: (i) pose boosting, and (ii) tracking. In the pose boosting stage, we detect the UAV on the captured frame using Deep Neural Networks (DNNs) and initialize a set of pose hypotheses that are likely to describe the true pose of the target using a pre-trained database indexed by bounding boxes. In the tracking stage, we use a UPF based approach to obtain an online estimate of the true pose of the target. On contrary to many vision-based particle filters that sample particles from a distribution that is based solely on predictions from the previous frames, in this work, we also use information from the current frame to improve the convergence of the filter. We fuse information from current and previous time steps with Unscented Transform (UT) filters, and use, for the first time in this type of problem, the Bingham and Bingham-Gauss distributions to model the dynamics and noise of the orientation in its natural manifold. These filters depend on the computation of importance weights that use sub-optimal approximations to the likelihood function. We evaluate different similarity metrics that compute a distance measure between an artificial rendered image with the hypothetic state of the system and the captured frame. Since we are approximating the likelihood function, we enrich the filter with additional refinement steps to abridge its sub-optimality. We have developed a “realistic” simulator for a quantitative analysis of the results. The entire description and experimental analysis of the system is based on the tracking error and processing time. When analyzing a landing sequence with a real sky gradient filled with clouds, we have obtained approximately 81% less rotation error using the Unscented Bingham Filter (UBiF) and the Unscented Bingham-Gauss Filter (UBiGaF) when compared to the simple Unscented Kalman Filter (UKF) without considering the use of pose optimization. When we use pose optimization, we can decrease the obtained rotation error in more than 50%.
MSc Thesis by Nuno Pessanha Santos
Sistema de visão para aterragem automática de UAV, Sep 2014
Neste estudo é proposto um sistema de visão para aterrar automaticamente um avião não tripulado (... more Neste estudo é proposto um sistema de visão para aterrar automaticamente um avião não tripulado (Unmanned Aerial Vehicle - UAV) comercialmente existente chamado AR4 num navio, sendo este sistema composto por uma simples câmara RGB (espectro visível). A aplicação prevê a sua colocação no convés de um navio para estimar a pose do UAV (posição 3D e orientação) durante o processo de aterragem. Ao utilizar um sistema de visão localizado no navio permite a utilização de um UAV com menos poder de processamento, reduzindo assim o seu tamanho e peso.
O método proposto utiliza uma abordagem baseada no modelo 3D do objeto em que é necessária a utilização do modelo CAD 3D do UAV. A pose é estimada utilizando uma arquitetura baseada num filtro de partículas. A implementação utilizada é baseada nas estratégias de evolução presentes nos algoritmos genéticos, evitando assim perda de diversidade nas possibilidades criadas. Também é implementada filtragem temporal entre frames - filtro de Kalman unscented - por forma a obter uma melhor estimativa de pose.
Os resultados mostram erros angulares e de posição compatíveis com o sistema de aterragem automática. O algoritmo é apropriado para aplicações em tempo real em standard workstations, com unidades de processamento gráfico.
O UAV vai operar de um navio patrulha pertencente à Marinha de Guerra Portuguesa, o que implica a capacidade de aterrar num navio de 27 metros de comprimento, 5,9 metros de boca, com uma zona de aterragem pequena e irregular de 5x6 metros localizada na proa do navio.
A implementação de um sistema completamente autónomo é muito importante em cenários reais, uma vez que estes navios têm uma guarnição limitada e os pilotos de UAV nem sempre se encontram disponíveis. Além disso, um sistema de visão é mais robusto em ambientes onde pode ocorrer empastelamento ao sinal GPS.
In this study a vision system for autonomous landing of an existing commercial aerial vehicle (UAV) named AR4 aboard a ship, based on a single standard RGB digital camera is proposed. The envisaged application is of ground-based automatic landing, where the vision system is located on the ship’s deck and is used to estimate the UAV pose (3D position and orientation) during the landing process. Using a vision system located on the ship makes it possible to use an UAV with less processing power, decreasing its size and weight.
The proposed method uses a 3D model based pose estimation approach that requires the 3D CAD model of the UAV. Pose is estimated using a particle filtering framework. The implemented particle filter is inspired in the evolution strategies present in the genetic algorithms avoiding sample impoverishment. Temporal filtering is also implemented between frames – unscented Kalman filter – in order to get a better pose estimation.
Results show that position and angular errors are compatible with automatic landing system requirements. The algorithm is suitable for real time implementation in standard workstations with graphical processing units.
The UAV will operate from the Portuguese Navy fast patrol boats (FPB), which implies the capability of landing in 27 m length, 5.9 m breadth vessels, with a 5x6 m small and irregular landing zone located at the boat´s stern.
The implementation of a completely autonomous system is very important in real scenarios,since this ships have only a small crew and UAV pilots are not usually available. Moreover a vision based system is more robust in an environment where GPS jamming can occur.
Sistema de Telemetria Aplicado a uma Plataforma Naval - Aplicação para monitorização em tempo real dos fenómenos decorrentes do impacto de mísseis, Oct 2010
In its operational training, the Portuguese Navy performs live firing exercises using Seasparrow ... more In its operational training, the Portuguese Navy performs live firing exercises using Seasparrow missiles against old decommissioned ships. From this kind of activity, it was detected the need to measure the structural behavior of the platforms during the impacts. The physical parameters of interest are pressure, temperature and movement around the three axial axes in the various compartments in the sinking platform. However, it is also important to obtain video footage of the impact and the explosion.
To meet this need and fulfill the study scenario requirements a low-cost, off-the-shelf system has been developed. Due to the sui generis character of the study scenario and from operational constraints, it was impossible to collect data directly from the platform. So it was therefore decided to make telemetry using the IEEE 802.3 and the IEEE 802.11g protocols to transmit data over long distances – between the target ship and the monitoring ship.
After the acquisition of the necessary equipment to make a low-cost telemetry system several tests have been made to the equipment because the concept is not yet very much developed in the Portuguese Navy. Those tests consisted in the measure of the required bandwidth in the used wireless connection, in performance measurement in the acquired data loggers, the use of the acquired cameras, in the interconnection of the several equipments, measuring the required throughput in its use, and was tested exhaustively the Arduino Duemilinove tool, in the attempt to assess whether it would be a reliable and low-cost alternative to the acquired Dataq DI-710-EL data logger.
However, from the described tests and the theoretical approach used, it was possible to show that the developed system is near the idealized initially. So it is shown that the chosen technology fulfill all the requirements to make telemetry.
No seu treino operacional a Marinha de Guerra Portuguesa efectua exercícios de disparo de mísseis do tipo Seasparrow contra navios desmilitarizados. Neste tipo de actividades detectou-se a necessidade de medir o comportamento estrutural das plataformas atingidas, sendo os parâmetros de interesse a medir os seguintes: temperatura, pressão e movimentação em torno dos três eixos axiais nos diversos compartimentos da plataforma atingida. Contudo também é relevante a obtenção de imagens de vídeo do impacto e consequente explosão.
Para responder a tal necessidade procurou-se desenvolver um sistema off-the-shelf, com baixo custo que cumprisse as exigências do cenário em estudo. Devido ao carácter sui generis do cenário em causa e a constrangimentos operacionais, não se pode recolher os dados directamente da plataforma, pelo que se decidiu efectuar telemetria utilizando o protocolo IEEE 802.3 e IEEE 802.11g para possibilitar o envio a longa distância – entre o navio alvo e o navio de monitorização.
Após adquirir o equipamento necessário para efectuar um sistema de telemetria de baixo custo, como o conceito não se encontrava muito desenvolvido pela Marinha de Guerra Portuguesa, foram efectuados diversos testes aos equipamentos adquiridos. Esses testes consistiram na medição da largura de banda obtida na ligação wireless utilizada, na aferição do desempenho nos Dataloggers adquiridos, na utilização das cameras adquiridas, na interligação dos diversos equipamentos, determinando a taxa de transferência necessária para a sua utilização, e testou-se exaustivamente a ferramenta Arduino Duemilinove, procurando avaliar se este seria uma alternativa de baixo custo viável aos Dataloggers Dataq DI-710-EL adquiridos.
Foram, no entanto, adquiridos através dos testes descritos anteriormente e de toda a revisão teórica dados que possibilitaram aferir se o sistema a desenvolver se enquadrava no idealizado inicialmente. Assim percebeu-se que a tecnologia eleita cumpre os requisitos para efectuar telemetria.
Research by Nuno Pessanha Santos
Projeto de Investigação - Qual o futuro do Hidrogénio na Marinha?, 2021
Projecto de Investigação para o Trabalho de Investigação Individual do Instituto Universitário Mi... more Projecto de Investigação para o Trabalho de Investigação Individual do Instituto Universitário Militar (IUM) subordinado ao tema "Qual o futuro do Hidrogénio na Marinha?".
Qual o futuro do Hidrogénio na Marinha?, 2022
Trabalho de Investigação Individual do Instituto Universitário Militar (IUM) subordinado ao tema ... more Trabalho de Investigação Individual do Instituto Universitário Militar (IUM) subordinado ao tema "Qual o futuro do Hidrogénio na Marinha?".
Papers by Nuno Pessanha Santos
OCEANS 2024 - Halifax, 2024
Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are continuously
being explored as important means of decreasing ... more Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are continuously
being explored as important means of decreasing human intervention
and improving system reliability. The more challenging
tasks when operating with UAVs are take-off and landing. Most
low-size UAVs can have their take-off performed by hand, but
the capacity to perform autonomous landing is essential. The
autonomous landing environment is usually challenging since we
are considering a moving platform, and the system must be able
to deal with Global Position System (GPS)-denied environments.
The proposed system is based on a ground-based stereoscopic
vision system with temporal filtering based on an Extended
Kalman Filter (EKF) to track the position of a rotary-wing UAV
during landing. The obtained position detects and guides the
rotary-wing UAV during landing. The initial results indicate that
this setup has the potential to track with low error, demonstrating
its suitability for exploration and further improvements.
2024 10th International Conference on Control, Decision and Information Technologies (CoDIT), 2024
Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have significantly
widened the range of possible applications due... more Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have significantly
widened the range of possible applications due to their unmanned
capabilities. UAVs are commonly utilized in Intelligence,
Surveillance, and Reconnaissance (ISR) operations, enabling
them to gather important real-time data. To ensure operational
reliability, performing the landing operation autonomously is
crucial. However, performing an autonomous landing on a ship
is challenging, as it is intended to be executed in an outdoor
environment, over a moving platform, where good coordination
and precise position estimation of the UAV position relative to
the ship is crucial. We present a ship-based binocular vision
system with temporal filtering based on an Extended Kalman
Filter (EKF) to track the position of a UAV during landing.
The developed system can detect noise and failures in one or
both cameras, enabling accurate detection and guidance in these
scenarios. The preliminary results show that this simple setup can
perform tracking with low errors, demonstrating its potential for
real-world applications.
6.º Encontro de Investigação e Desenvolvimento em Ciências Militares, Escola Naval (EN), Lisbon, Portugal, 2024
Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are increasingly popular and widely used across various sectors, ... more Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are increasingly popular and widely used across various sectors, including industry, academia, and the military (Mohsan, Khan, Noor, Ullah & Alsharif, 2022). They play a crucial role in global defense, particularly in hostile environments, as they typically require fewer personnel for operations and maintenance than conventional aircraft (Boyle, 2012). In Portugal, a coastal state, UAVs hold significant potential for monitoring and surveillance tasks, even though their implementation has not yet occurred. They can provide continuous coverage at a low cost, making them valuable assets for search and rescue operations and mission coordination. Automating their processes becomes essential as the number of UAVs in operation rises. This automation will help manage more UAVs with fewer personnel while ensuring reliability throughout all operational phases, particularly during the most challenging phases: take-off and landing (Boyle, 2012). Most UAV accidents occur during these operations, mainly due to human factors (Grindley et al., 2024), and automating these operations is essential to improving the overall reliability of the UAV system. Our research aims to make a significant contribution to enhancing UAV operations. We will be using multirotor UAVs, which make take-off straightforward. Consequently, our primary focus will be enhancing the landing operation to improve the system's reliability.
6.º Encontro de Investigação e Desenvolvimento em Ciências Militares, Escola Naval (EN), Lisbon, Portugal, 2024
Unmanned Surface Vehicles (USVs) have become essential tools in naval operations, gaining attenti... more Unmanned Surface Vehicles (USVs) have become essential tools in naval operations, gaining attention due to their use as kamikaze drones in the war in Ukraine (Singh, 2024). USVs offer a cost-effective alternative to traditional weapons systems, enabling precise attacks while minimizing human risk. In Ukraine, USVs have been used to establish a Sea Denial capability, targeting Russian warships in secure ports, which the Russian Federation is having trouble countering since these inexpensive, hard-to-detect platforms present significant challenges to defense systems (Sutton, 2024). These USVs can be used to attack Russian Federation warships where they would theoretically be most protected—within ports. All this without risking human lives, using a relatively cheap platform that is difficult to detect and defend against. Faced with this new reality of the tactical use of USVs, improving their autonomous navigation capabilities in an enemy port and, in the worst case, a completely unknown one is essential. Figure 1 illustrates a frame captured during an actual operation where a Ukrainian USV attacked a ship from the Russian Federation.
6.º Encontro de Investigação e Desenvolvimento em Ciências Militares, Escola Naval (EN), Lisbon, Portugal, 2024
Ballistic protection, often called armor, is crucial for protecting equipment and human lives. To... more Ballistic protection, often called armor, is crucial for protecting equipment and human lives. To achieve this goal, humans have sought the most advantageous ballistic properties in materials, aiming for protection against shooting or bombing actions (Corpo docente do Instituto Universitário Militar, 2020). By analyzing armor from a scientific perspective, it is possible to enable the development of new efficient methods with direct applicability in military operations. A current example of the operational need for the implementation of automotive armor, essential to ensure the survival, mobility, and lethality of military personnel in the theatre of operations, is the United Nations (UN) Multidimensional Integrated Stabilization Mission in the Central African Republic (MINUSCA), where light vehicles from the Toyota brand, Land Cruiser model, armored by Tiger International Armor, are in use, with National Institute of Justice (NIJ) 0108.01 Level III protection. Current legislation establishes that the ballistic protection of land vehicles and their components must have a level equal to or greater than III under the NIJ 0108.01 standard (Presidência do Conselho de Ministros, 2019). This level of ballistic protection meets the requirements for personal safety, considering identified threats. When analyzing armor efficiency, the most important factors are typically protection capacity, cost, and weight (Mestre, 2015). However, when considering land vehicles, the most influential factor is weight, as it directly contributes to the vehicle's mechanical wear and fuel consumption (Mansur, 2011).
Environments, 2024
It is of the utmost importance for every country to monitor and control maritime pollution within... more It is of the utmost importance for every country to monitor and control maritime pollution within its exclusive economic zone (EEZ). The European Maritime Safety Agency (EMSA) has developed and implemented the CleanSeaNet (CSN) satellite monitoring system to aid in the surveillance and control of hydrocarbon and hazardous substance spills in the ocean. This system’s primary objective is to alert European Union (EU) coastal states to potential spills within their EEZs, enabling them to take the necessary legal and operational actions. To reduce operational costs and increase response capability, the feasibility of implementing a national network (NN) of unmanned vehicles (UVs), both surface and aerial, was explored using a Portuguese case study. The following approach and analysis can be easily generalized to other case studies, bringing essential knowledge to the field. Analyzing oil spill alert events in the Portuguese EEZ between 2017 and 2021 and performing a strengths, weaknesses, opportunities, and threats (SWOT) analysis, essential information has been proposed for the optimal location of an NN of UVs. The study results demonstrate that integrating spill alerts at sea with UVs may significantly improve response time, costs, and personnel involvement, making maritime pollution combat actions more effective.
Academia Engineering, Sep 19, 2024
Ocean engineering applies engineering principles to the ocean domain. Technology is critical in f... more Ocean engineering applies engineering principles to the ocean domain. Technology is critical in facilitating efficient exploration with minimal human intervention, and autonomous vehicles are increasingly being used to automate various ocean engineering tasks. However, using fully autonomous vehicles raises ethical and legal concerns that must be properly regulated. Nowadays, the most common applications of autonomous vehicles in the ocean domain include infrastructure maintenance, underwater mapping, resource exploration, and environmental monitoring. This article explores the prevalent applications of autonomous vehicles in ocean engineering, analyzing existing regulations, liability and accountability issues, data privacy, cybersecurity challenges, and interoperability. Through a Strengths, Weaknesses, Opportunities, and Threats (SWOT) analysis, we better understand the current state of ocean engineering using autonomous vehicles. We can develop a strategy for the future. To be able to use autonomous vehicles in ocean engineering, it is essential to guarantee the technological advancement of autonomous vehicles in ocean engineering and update the current existing laws to deal with this kind of application.
Robotics, 2024
In many Unmanned Aerial Vehicle (UAV) operations, accurately estimating the UAV’s position and or... more In many Unmanned Aerial Vehicle (UAV) operations, accurately estimating the UAV’s position and orientation over time is crucial for controlling its trajectory. This is especially important when considering the landing maneuver, where a ground-based camera system can estimate the UAV’s 3D position and orientation. A Red, Green, and Blue (RGB) ground-based monocular approach can be used for this purpose, allowing for more complex algorithms and higher processing power. The proposed method uses a hybrid Artificial Neural Network (ANN) model, incorporating a Kohonen Neural Network (KNN) or Self-Organizing Map (SOM) to identify feature points representing a cluster obtained from a binary image containing the UAV. A Deep Neural Network (DNN) architecture is then used to estimate the actual UAV pose based on a single frame, including translation and orientation. Utilizing the UAV Computer-Aided Design (CAD) model, the network structure can be easily trained using a synthetic dataset, and then fine-tuning can be done to perform transfer learning to deal with real data. The experimental results demonstrate that the system achieves high accuracy, characterized by low errors in UAV pose estimation. This implementation paves the way for automating operational tasks like autonomous landing, which is especially hazardous and prone to failure.
Scientific Data, 2024
As a coastal state, Portugal must ensure active surveillance over its maritime area, ensuring its... more As a coastal state, Portugal must ensure active surveillance over its maritime area, ensuring its proper control and inspection. One of the most critical inspection activities is the fishery inspection. To protect biodiversity, we must ensure that all the ships comply with the existing safety regulations and respect the current fishing quotas. This georeferenced dataset describes the fisheries inspections done in Portuguese waters between 2015 and 2023. Since we are dealing with occurrences that may have originated some legal process to the ship’s owner, we have ensured data anonymization by pre-processing the dataset to maintain its accuracy while guaranteeing no unique identifiers exist. All the pre-processing performed to ensure data consistency and accuracy is described in detail to allow a quick analysis and implementation of new algorithms. The data containing the results of these inspections can be easily analyzed to implement data mining algorithms that can efficiently retrieve more knowledge and, e.g., suggest new areas of actuation or new strategies.
Data in Brief, 2024
Monitoring ocean surface temperature is critical to infer the variability of the upper layers of ... more Monitoring ocean surface temperature is critical to infer the variability of the upper layers of the ocean, from short temporal scales to climatic change scales. Analysis of the climatological trends and anomalies is fundamental to comprehend the long-term effects of climate change on marine ecosystems and coastal regions. The original data for the dataset presented was collected by the Portuguese Hydrographic Institute (Instituto Hidrográfico) using seven Ondograph and Meteo-oceanography buoys anchored offshore along the Portuguese coast to acquire ocean surface temperatures. The original raw data was pre-processed to provide averages over 3-hour periods and daily averages, and this cleaned data constitutes the provided dataset. The 3-hour temperature averages were obtained mainly between 2011 and 2015, and the daily temperature averages were obtained in intervals that vary with the considered buoy, having an average interval of 14 years per buoy. The data gathered provides a considerable temporal window, enabling the creation of data series and the implementation of data mining algorithms to develop decision support systems. Collecting data in situ makes it possible to validate simulated results obtained using approximation models. This allows for more accurate temperature readings and facilitates testing and correcting created models.
Data in Brief, 2024
Unmanned vehicles have become increasingly popular in the underwater domain in the last decade, a... more Unmanned vehicles have become increasingly popular in the underwater domain in the last decade, as they provide better operation reliability by minimizing human involvement in most tasks. Perception of the environment is crucial for safety and other tasks, such as guidance and trajectory control, mainly when operating underwater. Mine detection is one of the riskiest operations since it involves systems that can easily damage vehicles and endanger human lives if manned. Automating mine detection from side-scan sonar images enhances safety while reducing false negatives. The collected dataset contains 1170 real sonar images taken between 2010 and 2021 using a Teledyne Marine Gavia Autonomous Underwater Vehicle (AUV), which includes enough information to classify its content objects as NOn-Mine-like BOttom Objects (NOMBO) and MIne-Like COntacts (MILCO). The dataset is annotated and can be quickly deployed for object detection, classification, or image segmentation tasks. Collecting a dataset of this type requires a significant amount of time and cost, which increases its rarity and relevance to research and industrial development.
Scientific Data, 2023
Piracy has been a global concern and a threat to the safety of people performing maritime trade a... more Piracy has been a global concern and a threat to the safety of people performing maritime trade around the globe. Since ancient times maritime piracy has been a common practice that, unfortunately, has not ended in the current days. A georeferenced dataset providing the position, meteorologic conditions, and a description of the occurrence can provide essential information for analyzing this global phenomenon. the dataset focuses on the Gulf of Guinea (GoG) as an area dominated by corruption and weak supervision capacity by the local authorities. the time interval considered in this paper is between 2010 and 2021. Using this simple dataset, it is possible to analyze attributes such as when the piracy occurred or if the illegal activity involved deaths or kidnapping. the accuracy of the data was guaranteed by cross-referencing data sources, so we have 595 pirate attacks accurately described. This dataset can easily be used for data mining, allowing further analysis of the patterns and trends of pirate attacks in the GoG over time.
Standards (ISSN: 2305-6703), 2023
With recent advances in science and technology, more processing capability and data have become a... more With recent advances in science and technology, more processing capability and data have become available, allowing a more straightforward implementation of data analysis techniques. Fortunately, available online data storage capacity follows this trend, and vast amounts of data can be stored online freely or at accessible costs. As happens with every evolution (or revolution) in any science field, organizing and sharing these data is essential to contribute to new studies or validate obtained results quickly. To facilitate this, we must guarantee interoperability between existing datasets and developed software, whether commercial or open-source. This article explores this issue and analyzes the current initiatives to establish data standards and compares some of the existing online dataset storage platforms. Through a Strengths, Weaknesses, Opportunities, and Threats (SWOT) analysis, it is possible to better understand the strategy that should be taken to improve the efficiency in this field, which directly depends on the data’s characteristics. The development of dataset standards will directly increase the collaboration and data sharing between academia and industry, allowing faster research and development through direct interoperability.
Jornadas do Mar 2023 – “Novos desafios tecnológicos”, 2023
With the end of the Cold War, the interest in underwater warfare decreased dramatically. However,... more With the end of the Cold War, the interest in underwater warfare decreased dramatically. However, recent developments have brought underwater warfare back to center stage. Anti-submarine warfare is always one of the major concerns of a navy since it is difficult to detect an enemy submarine in the vast ocean. Conjugating the recent developments in unmanned vehicles and active and passive acoustic surveillance, we can perform better data fusion and increase our knowledge about the events occurring in our waters. The processed data originating from acoustic surveillance can potentially be an essential source of naval intelligence. An acoustic barrier can perform this detection with success. Still, these systems require highly qualified personnel to operate, present a costly infrastructure , and are hard to implement and maintain. Data fusion from multiple sources, and even from low-cost sensors with noisy measures, is a promising solution, especially if resource optimization is a priority. The implementation described in this paper is intended to be proof of concept of a low-cost implementation in shallow waters that can be easily expanded and evolved to different scenarios. The preliminary results obtained confirm that this is a viable solution.
Jornadas do Mar 2023 – “Novos desafios tecnológicos”, 2023
Nowadays, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have a wide range of applications, including operationa... more Nowadays, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have a wide range of applications, including operational surveillance, real-time reconnaissance, and humanitarian activities, among many other. Unmanned Aerial Vehicles can be operated manually by a pilot or autonomously on predefined routes. Most UAV accidents occur during takeoff or landing, mainly due to human failures. Making these tasks autonomous can decrease these occurrences, increasing the system's reliability in real operations. Using UAVs on board ships for patrolling can increase surveillance capabilities, especially for vast areas. Overcoming the challenge of limited landing areas is crucial for successful operations. Additionally, in some areas, we can experience Global Positioning System (GPS) jamming or failures, and the used method must be reliable even in these cases. This article explores a developed and tested a system based on stereoscopic vision that can be used to estimate the UAV trajectory during landing. Due to the Vertical TakeOff and Landing (VTOL) capabilities of the rotary-wing UAVs, we have adopted this configuration to allow a more flexible trajectory control. The developed framework combined Epipolar Geometry with an Extended Kalman Filter (EKF) and was tested in three real scenarios with ground truth. The final tests were performed onboard a Portuguese Navy ship, allowing a more realistic analysis. Camera calibration, defining the intrinsic and extrinsic parameters, was carried out according to the Zhang and Perspective-n-Point method. Time history and unmanned aerial vehicle telemetry data alignment allowed data synchronization and improved temporal accuracy. The available dataset consists of about 20,000 images annotated through bounding boxes. To demonstrate the practical application of the dataset, the data were submitted to two different procedures, the Kalman Filter and Epipolar Geometry.
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PhD Thesis by Nuno Pessanha Santos
MSc Thesis by Nuno Pessanha Santos
O método proposto utiliza uma abordagem baseada no modelo 3D do objeto em que é necessária a utilização do modelo CAD 3D do UAV. A pose é estimada utilizando uma arquitetura baseada num filtro de partículas. A implementação utilizada é baseada nas estratégias de evolução presentes nos algoritmos genéticos, evitando assim perda de diversidade nas possibilidades criadas. Também é implementada filtragem temporal entre frames - filtro de Kalman unscented - por forma a obter uma melhor estimativa de pose.
Os resultados mostram erros angulares e de posição compatíveis com o sistema de aterragem automática. O algoritmo é apropriado para aplicações em tempo real em standard workstations, com unidades de processamento gráfico.
O UAV vai operar de um navio patrulha pertencente à Marinha de Guerra Portuguesa, o que implica a capacidade de aterrar num navio de 27 metros de comprimento, 5,9 metros de boca, com uma zona de aterragem pequena e irregular de 5x6 metros localizada na proa do navio.
A implementação de um sistema completamente autónomo é muito importante em cenários reais, uma vez que estes navios têm uma guarnição limitada e os pilotos de UAV nem sempre se encontram disponíveis. Além disso, um sistema de visão é mais robusto em ambientes onde pode ocorrer empastelamento ao sinal GPS.
In this study a vision system for autonomous landing of an existing commercial aerial vehicle (UAV) named AR4 aboard a ship, based on a single standard RGB digital camera is proposed. The envisaged application is of ground-based automatic landing, where the vision system is located on the ship’s deck and is used to estimate the UAV pose (3D position and orientation) during the landing process. Using a vision system located on the ship makes it possible to use an UAV with less processing power, decreasing its size and weight.
The proposed method uses a 3D model based pose estimation approach that requires the 3D CAD model of the UAV. Pose is estimated using a particle filtering framework. The implemented particle filter is inspired in the evolution strategies present in the genetic algorithms avoiding sample impoverishment. Temporal filtering is also implemented between frames – unscented Kalman filter – in order to get a better pose estimation.
Results show that position and angular errors are compatible with automatic landing system requirements. The algorithm is suitable for real time implementation in standard workstations with graphical processing units.
The UAV will operate from the Portuguese Navy fast patrol boats (FPB), which implies the capability of landing in 27 m length, 5.9 m breadth vessels, with a 5x6 m small and irregular landing zone located at the boat´s stern.
The implementation of a completely autonomous system is very important in real scenarios,since this ships have only a small crew and UAV pilots are not usually available. Moreover a vision based system is more robust in an environment where GPS jamming can occur.
To meet this need and fulfill the study scenario requirements a low-cost, off-the-shelf system has been developed. Due to the sui generis character of the study scenario and from operational constraints, it was impossible to collect data directly from the platform. So it was therefore decided to make telemetry using the IEEE 802.3 and the IEEE 802.11g protocols to transmit data over long distances – between the target ship and the monitoring ship.
After the acquisition of the necessary equipment to make a low-cost telemetry system several tests have been made to the equipment because the concept is not yet very much developed in the Portuguese Navy. Those tests consisted in the measure of the required bandwidth in the used wireless connection, in performance measurement in the acquired data loggers, the use of the acquired cameras, in the interconnection of the several equipments, measuring the required throughput in its use, and was tested exhaustively the Arduino Duemilinove tool, in the attempt to assess whether it would be a reliable and low-cost alternative to the acquired Dataq DI-710-EL data logger.
However, from the described tests and the theoretical approach used, it was possible to show that the developed system is near the idealized initially. So it is shown that the chosen technology fulfill all the requirements to make telemetry.
No seu treino operacional a Marinha de Guerra Portuguesa efectua exercícios de disparo de mísseis do tipo Seasparrow contra navios desmilitarizados. Neste tipo de actividades detectou-se a necessidade de medir o comportamento estrutural das plataformas atingidas, sendo os parâmetros de interesse a medir os seguintes: temperatura, pressão e movimentação em torno dos três eixos axiais nos diversos compartimentos da plataforma atingida. Contudo também é relevante a obtenção de imagens de vídeo do impacto e consequente explosão.
Para responder a tal necessidade procurou-se desenvolver um sistema off-the-shelf, com baixo custo que cumprisse as exigências do cenário em estudo. Devido ao carácter sui generis do cenário em causa e a constrangimentos operacionais, não se pode recolher os dados directamente da plataforma, pelo que se decidiu efectuar telemetria utilizando o protocolo IEEE 802.3 e IEEE 802.11g para possibilitar o envio a longa distância – entre o navio alvo e o navio de monitorização.
Após adquirir o equipamento necessário para efectuar um sistema de telemetria de baixo custo, como o conceito não se encontrava muito desenvolvido pela Marinha de Guerra Portuguesa, foram efectuados diversos testes aos equipamentos adquiridos. Esses testes consistiram na medição da largura de banda obtida na ligação wireless utilizada, na aferição do desempenho nos Dataloggers adquiridos, na utilização das cameras adquiridas, na interligação dos diversos equipamentos, determinando a taxa de transferência necessária para a sua utilização, e testou-se exaustivamente a ferramenta Arduino Duemilinove, procurando avaliar se este seria uma alternativa de baixo custo viável aos Dataloggers Dataq DI-710-EL adquiridos.
Foram, no entanto, adquiridos através dos testes descritos anteriormente e de toda a revisão teórica dados que possibilitaram aferir se o sistema a desenvolver se enquadrava no idealizado inicialmente. Assim percebeu-se que a tecnologia eleita cumpre os requisitos para efectuar telemetria.
Research by Nuno Pessanha Santos
Papers by Nuno Pessanha Santos
being explored as important means of decreasing human intervention
and improving system reliability. The more challenging
tasks when operating with UAVs are take-off and landing. Most
low-size UAVs can have their take-off performed by hand, but
the capacity to perform autonomous landing is essential. The
autonomous landing environment is usually challenging since we
are considering a moving platform, and the system must be able
to deal with Global Position System (GPS)-denied environments.
The proposed system is based on a ground-based stereoscopic
vision system with temporal filtering based on an Extended
Kalman Filter (EKF) to track the position of a rotary-wing UAV
during landing. The obtained position detects and guides the
rotary-wing UAV during landing. The initial results indicate that
this setup has the potential to track with low error, demonstrating
its suitability for exploration and further improvements.
widened the range of possible applications due to their unmanned
capabilities. UAVs are commonly utilized in Intelligence,
Surveillance, and Reconnaissance (ISR) operations, enabling
them to gather important real-time data. To ensure operational
reliability, performing the landing operation autonomously is
crucial. However, performing an autonomous landing on a ship
is challenging, as it is intended to be executed in an outdoor
environment, over a moving platform, where good coordination
and precise position estimation of the UAV position relative to
the ship is crucial. We present a ship-based binocular vision
system with temporal filtering based on an Extended Kalman
Filter (EKF) to track the position of a UAV during landing.
The developed system can detect noise and failures in one or
both cameras, enabling accurate detection and guidance in these
scenarios. The preliminary results show that this simple setup can
perform tracking with low errors, demonstrating its potential for
real-world applications.
O método proposto utiliza uma abordagem baseada no modelo 3D do objeto em que é necessária a utilização do modelo CAD 3D do UAV. A pose é estimada utilizando uma arquitetura baseada num filtro de partículas. A implementação utilizada é baseada nas estratégias de evolução presentes nos algoritmos genéticos, evitando assim perda de diversidade nas possibilidades criadas. Também é implementada filtragem temporal entre frames - filtro de Kalman unscented - por forma a obter uma melhor estimativa de pose.
Os resultados mostram erros angulares e de posição compatíveis com o sistema de aterragem automática. O algoritmo é apropriado para aplicações em tempo real em standard workstations, com unidades de processamento gráfico.
O UAV vai operar de um navio patrulha pertencente à Marinha de Guerra Portuguesa, o que implica a capacidade de aterrar num navio de 27 metros de comprimento, 5,9 metros de boca, com uma zona de aterragem pequena e irregular de 5x6 metros localizada na proa do navio.
A implementação de um sistema completamente autónomo é muito importante em cenários reais, uma vez que estes navios têm uma guarnição limitada e os pilotos de UAV nem sempre se encontram disponíveis. Além disso, um sistema de visão é mais robusto em ambientes onde pode ocorrer empastelamento ao sinal GPS.
In this study a vision system for autonomous landing of an existing commercial aerial vehicle (UAV) named AR4 aboard a ship, based on a single standard RGB digital camera is proposed. The envisaged application is of ground-based automatic landing, where the vision system is located on the ship’s deck and is used to estimate the UAV pose (3D position and orientation) during the landing process. Using a vision system located on the ship makes it possible to use an UAV with less processing power, decreasing its size and weight.
The proposed method uses a 3D model based pose estimation approach that requires the 3D CAD model of the UAV. Pose is estimated using a particle filtering framework. The implemented particle filter is inspired in the evolution strategies present in the genetic algorithms avoiding sample impoverishment. Temporal filtering is also implemented between frames – unscented Kalman filter – in order to get a better pose estimation.
Results show that position and angular errors are compatible with automatic landing system requirements. The algorithm is suitable for real time implementation in standard workstations with graphical processing units.
The UAV will operate from the Portuguese Navy fast patrol boats (FPB), which implies the capability of landing in 27 m length, 5.9 m breadth vessels, with a 5x6 m small and irregular landing zone located at the boat´s stern.
The implementation of a completely autonomous system is very important in real scenarios,since this ships have only a small crew and UAV pilots are not usually available. Moreover a vision based system is more robust in an environment where GPS jamming can occur.
To meet this need and fulfill the study scenario requirements a low-cost, off-the-shelf system has been developed. Due to the sui generis character of the study scenario and from operational constraints, it was impossible to collect data directly from the platform. So it was therefore decided to make telemetry using the IEEE 802.3 and the IEEE 802.11g protocols to transmit data over long distances – between the target ship and the monitoring ship.
After the acquisition of the necessary equipment to make a low-cost telemetry system several tests have been made to the equipment because the concept is not yet very much developed in the Portuguese Navy. Those tests consisted in the measure of the required bandwidth in the used wireless connection, in performance measurement in the acquired data loggers, the use of the acquired cameras, in the interconnection of the several equipments, measuring the required throughput in its use, and was tested exhaustively the Arduino Duemilinove tool, in the attempt to assess whether it would be a reliable and low-cost alternative to the acquired Dataq DI-710-EL data logger.
However, from the described tests and the theoretical approach used, it was possible to show that the developed system is near the idealized initially. So it is shown that the chosen technology fulfill all the requirements to make telemetry.
No seu treino operacional a Marinha de Guerra Portuguesa efectua exercícios de disparo de mísseis do tipo Seasparrow contra navios desmilitarizados. Neste tipo de actividades detectou-se a necessidade de medir o comportamento estrutural das plataformas atingidas, sendo os parâmetros de interesse a medir os seguintes: temperatura, pressão e movimentação em torno dos três eixos axiais nos diversos compartimentos da plataforma atingida. Contudo também é relevante a obtenção de imagens de vídeo do impacto e consequente explosão.
Para responder a tal necessidade procurou-se desenvolver um sistema off-the-shelf, com baixo custo que cumprisse as exigências do cenário em estudo. Devido ao carácter sui generis do cenário em causa e a constrangimentos operacionais, não se pode recolher os dados directamente da plataforma, pelo que se decidiu efectuar telemetria utilizando o protocolo IEEE 802.3 e IEEE 802.11g para possibilitar o envio a longa distância – entre o navio alvo e o navio de monitorização.
Após adquirir o equipamento necessário para efectuar um sistema de telemetria de baixo custo, como o conceito não se encontrava muito desenvolvido pela Marinha de Guerra Portuguesa, foram efectuados diversos testes aos equipamentos adquiridos. Esses testes consistiram na medição da largura de banda obtida na ligação wireless utilizada, na aferição do desempenho nos Dataloggers adquiridos, na utilização das cameras adquiridas, na interligação dos diversos equipamentos, determinando a taxa de transferência necessária para a sua utilização, e testou-se exaustivamente a ferramenta Arduino Duemilinove, procurando avaliar se este seria uma alternativa de baixo custo viável aos Dataloggers Dataq DI-710-EL adquiridos.
Foram, no entanto, adquiridos através dos testes descritos anteriormente e de toda a revisão teórica dados que possibilitaram aferir se o sistema a desenvolver se enquadrava no idealizado inicialmente. Assim percebeu-se que a tecnologia eleita cumpre os requisitos para efectuar telemetria.
being explored as important means of decreasing human intervention
and improving system reliability. The more challenging
tasks when operating with UAVs are take-off and landing. Most
low-size UAVs can have their take-off performed by hand, but
the capacity to perform autonomous landing is essential. The
autonomous landing environment is usually challenging since we
are considering a moving platform, and the system must be able
to deal with Global Position System (GPS)-denied environments.
The proposed system is based on a ground-based stereoscopic
vision system with temporal filtering based on an Extended
Kalman Filter (EKF) to track the position of a rotary-wing UAV
during landing. The obtained position detects and guides the
rotary-wing UAV during landing. The initial results indicate that
this setup has the potential to track with low error, demonstrating
its suitability for exploration and further improvements.
widened the range of possible applications due to their unmanned
capabilities. UAVs are commonly utilized in Intelligence,
Surveillance, and Reconnaissance (ISR) operations, enabling
them to gather important real-time data. To ensure operational
reliability, performing the landing operation autonomously is
crucial. However, performing an autonomous landing on a ship
is challenging, as it is intended to be executed in an outdoor
environment, over a moving platform, where good coordination
and precise position estimation of the UAV position relative to
the ship is crucial. We present a ship-based binocular vision
system with temporal filtering based on an Extended Kalman
Filter (EKF) to track the position of a UAV during landing.
The developed system can detect noise and failures in one or
both cameras, enabling accurate detection and guidance in these
scenarios. The preliminary results show that this simple setup can
perform tracking with low errors, demonstrating its potential for
real-world applications.
De forma a alargar o seu alcance operacional, os VANTs podem ser operados a partir de navios, descolando e aterrando no convés dos mesmos (Figura 1). Contudo, a aterragem dos VANTs é uma das fases mais críticas do seu voo, onde a maioria dos acidentes acontece devido a falha humana; tornar o voo completamente autónomo pode contribuir para prevenir esses acidentes, mas introduz desafios adicionais, nomeadamente ao nível da área muito limitada de aterragem e do movimento e oscilação do próprio navio. Para além disso, o empastelamento ou falha de sistemas de localização global GNSS podem comprometer por completo a aterragem do VANT, pelo que se torna indispensável o uso de métodos alternativos para estimar a localização do VANT em relação à área de aterragem.
2. Detection & Pose initialization
3. Tracking
4. Experimental results
5. Conclusions & Future work
Problem formulation & Challenges
Original contributions
Related work
System description
Experimental Results
Conclusions
Related work
Work packages
System description
Developed approaches
Experimental Results
Conclusions
Problem formulation & Challenges
Original contributions
Related work
System description
Simulation & Experimental Results
Conclusions
- Conhecimento dos efeitos sobre a guarnição ;
- Conhecimento do comportamento estrutural;
- O fabricante da arma.
System Description
Pose Estimation and Tracking
Simulation and Experimental Results
Conclusions
System Description
Trajectory and Guidance architecture
Simulation and Experimental Results
Conclusions
O método proposto utiliza uma abordagem baseada no modelo 3D do objeto em que é necessária a utilização do modelo CAD 3D do UAV. A pose é estimada utilizando uma arquitetura baseada num filtro de partículas. A implementação utilizada é baseada nas estratégias de evolução presentes nos algoritmos genéticos, evitando assim perda de diversidade nas possibilidades criadas. Também é implementada filtragem temporal entre frames - filtro de Kalman unscented - por forma a obter uma melhor estimativa de pose.
Os resultados mostram erros angulares e de posição compatíveis com o sistema de aterragem automática. O algoritmo é apropriado para aplicações em tempo real em standard workstations, com unidades de processamento gráfico.
O UAV vai operar de um navio patrulha pertencente à Marinha de Guerra Portuguesa, o que implica a capacidade de aterrar num navio de 27 metros de comprimento, 5,9 metros de boca, com uma zona de aterragem pequena e irregular de 5x6 metros localizada na proa do navio.
A implementação de um sistema completamente autónomo é muito importante em cenários reais, uma vez que estes navios têm uma guarnição limitada e os pilotos de UAV nem sempre se encontram disponíveis. Além disso, um sistema de visão é mais robusto em ambientes onde pode ocorrer empastelamento ao sinal GPS.
In this study a vision system for autonomous landing of an existing commercial aerial vehicle (UAV) named AR4 aboard a ship, based on a single standard RGB digital camera is proposed. The envisaged application is of ground-based automatic landing, where the vision system is located on the ship’s deck and is used to estimate the UAV pose (3D position and orientation) during the landing process. Using a vision system located on the ship makes it possible to use an UAV with less processing power, decreasing its size and weight.
The proposed method uses a 3D model based pose estimation approach that requires the 3D CAD model of the UAV. Pose is estimated using a particle filtering framework. The implemented particle filter is inspired in the evolution strategies present in the genetic algorithms avoiding sample impoverishment. Temporal filtering is also implemented between frames – unscented Kalman filter – in order to get a better pose estimation.
Results show that position and angular errors are compatible with automatic landing system requirements. The algorithm is suitable for real time implementation in standard workstations with graphical processing units.
The UAV will operate from the Portuguese Navy fast patrol boats (FPB), which implies the capability of landing in 27 m length, 5.9 m breadth vessels, with a 5x6 m small and irregular landing zone located at the boat´s stern.
The implementation of a completely autonomous system is very important in real scenarios, since this ships have only a small crew and UAV pilots are not usually available. Moreover a vision based system is more robust in an environment where GPS jamming can occur.
Sistema de Estimação de pose e tracking
Simulação e Resultados Experimentais
Conclusões
2. 3D Model-Based Pose Estimation System
3. Simulation and Experimental Results
4. Conclusions
Implementation Scheme;
Implementation Status;
Failed Implementations;
Future Tests (needed tests).
aerial vehicle (UAV) named AR4 aboard a ship, based on a single standard RGB
digital camera is proposed. The vision system is located on the ship's deck and
is used to estimate the UAV pose (3D position and orientation) during the
landing process. Using a vision system located on the ship makes it possible to
use an UAV with less processing power, decreasing its size and weight. Due to
the non-linear nature of this implementation a 3D markerless framework is used
based on a particle filter. The UAV will operate from the Portuguese Navy fast
patrol boats (FPB), which implies the capability of landing in 27 m length, 5.9 m
breadth vessels, with a 5x6 m small and irregular landing zone located at the
boat’s stern. The implementation of a completely autonomous system is very
important in real scenarios, since this ships have only a small crew and UAV
pilots are not usually available. Moreover a vision based system is more robust
in an environment where GPS jamming can occur.
Este sistema tem como principal objectivo ser aplicado nos exercícios de afundamento de navios desmilitarizados utilizando mísseis do tipo Seasparrow, procurando assim medir parâmetros físicos (temperatura, pressão e movimentação em torno dos três eixos axiais) durante o seu impacto.
Esta medição deve ser feita de uma distância segura (entre 3 e 8 milhas náuticas).
Para responder a tal necessidade procurou-se desenvolver um sistema off-the-shelf, com baixo custo que cumprisse as exigências do cenário em estudo.
Para possibilitar o envio a longa distância – navio alvo e navio de monitorização – foi utilizado o protocolo IEEE 802.11g. A restante rede de sensores implementava o protocolo IEEE 802.3.
O sistema desenvolvido foi sujeito a inúmeros testes, procurando assim determinar se este se adequava ao carácter sui generis do cenário em causa."
domestic applications because of its compatibility with numerous
equipments. Because some telemetry systems need long range
links, building a directional antenna is a simple way of increasing
the range of such equipments. Microstrip is a proven antenna
technology: easy to build, low profile, light weight, low cost and
flexibility in terms of radiation pattern and polarization.
Adjustments to meet the main requirements are made during the
design of the antenna. The expected results can be previewed with a
series of simulations.
"
cost system capable of performing telemetry over long distances,
using wireless technology. When sinking old decommissioned
ships as targets for live fire exercises, there is the need to
measure many physical parameters during the impacts. These
measurements must be made from a safe distance (between 3
and 8 nautical miles).
A system based on simple, cheap and available technology was
assembled and tested. The tests focused on the following
parameters: channel capacity, latency, maximum distance
between the analysis point and the sampling point.
capable of performing telemetry to measure the effects of a MILAN
(Missile d'Infanterie Léger Antichar) missile, on a target, using
wireless technology. The system was developed using accelerometers
and thermocouples, allowing the transmission and storage of
parameters such as temperature and movement of the target.
The acquisition system developed was based on simple and cheap
technology available on the market. It used several Arduino boards
(a very cheap and “open-source” development board) and Dataq DI-
710-EL Data loggers.
The developed system also included two video cameras (one highspeed
and one common webcam) allowing the capture of images
when the missile strikes the target.
The Chinese Dream of rejuvenating the nation is President Xi Jinping’s national plan on the grounds of two key moments, two centenaries that mark the gradual progress of a reborn China into a hegemonic world power at the turn to the second half of the twenty-first century. In this context, the Chinese People's Liberation Army Navy plays a pivotal role in safeguarding its territorial sovereignty and maritime interests, in addition to carrying out military, humanitarian, and peacekeeping operations, in a strategy known as “near seas defense” and “far seas protection”. For that purpose, the Chinese Navy has undertaken a robust program of modernization of its means, increasing internal logistics support and establishing overseas outposts; however, it still lacks the development of dynamic support structures, given the considerable increase of its naval means. Bearing this in mind, this assignment aims at characterizing the Chinese Navy as far as its current concept of operations (CONOPS) and logistics structure are concerned. Although briefly, an attempt will be made to contrast this reality with that of the Portuguese Navy, invalidating (or confirming) the saying that “fleet size doesn’t matter”.
O presente relatório encontra-se estruturado da seguinte forma: capítulo 2 - dedicado à descrição do problema; capítulo 3 - focado na formulação matemática por detrás do problema de estudo; capítulo 4 - apresentados os principais resultados e a descrição da implementação em MATLAB®; capítulo 5 - efetuadas algumas conclusões do trabalho desenvolvido.
Esta tarefa inicialmente mostrou-se complexa, mas com alguma aprendizagem conseguimos obter o rigor pretendido.
De seguida vai ser mostrado o esquemático de algumas simulações efectuadas, bem como os respectivos parâmetros utilizados, das quais se tirarão as respectivas conclusões.
Os Supercondensadores, também comummente designados por ultracondensadores ou condensadores electroquímicos, têm evoluído ao longo das últimas décadas devido principalmente às evoluções existentes na área da engenharia dos materiais. Este dispositivo (chamemos-lhe assim sem perca de rigor técnico e científico) é designado muitas vezes na literatura como “algo” situado entre as baterias e os condensadores convencionais pois ao nível do armazenamento de energia têm menor capacidade do que as baterias, mas com uma maior taxa de descarga que estas aproximando-se estes dos condensadores convencionais (Chu and Braatz 2002, Jayalakshmi and Balasubramanian 2008). Nos dias de hoje é possível encontrar facilmente soluções comerciais de 4000 F de capacidade, face aos 1 F apresentados pelos condensadores convencionais (Electronics 2013).
Actualmente este tipo de dispositivo é muito utilizado como complemento de sistemas já existentes, podendo também através de uma montagem apropriada prevenir sobretensões ou na sua utilização mais comum permitir uma maior densidade de potência (Miller 2007).
Ao longo deste relatório estes dispositivos vão ser abordados mais aprofundadamente, efectuando assim um resumo dos pontos mais importantes para poder compreender esta temática. Devido à extensão do tema é impossível abordar todos os pontos ao pormenor, tendo sido elaborado um resumo dos mesmos. Os pontos explorados neste relatório, sob a forma de capítulos, são os seguintes:
• Tipos de Supercondensadores;
• Supercondensadores VS Baterias VS Condensadores Convencionais;
• Aplicações;
• Soluções Comerciais;
• Capacidade de Armazenamento.
No capítulo – Tipos de Condensadores – são abordados os tipos de Supercondensadores existentes e o seu modo de funcionamento (de forma sucinta), no capítulo – Supercondensadores VS Baterias VS Condensadores Convencionais – é efectuada uma comparação entre estes três modos de armazenamento de energia, no capítulo – Aplicações – São descritas algumas aplicações onde “encaixe” esta tecnologia especificando aplicações na área dos veículos eléctricos, no capítulo – Soluções Comerciais - são abordadas algumas das soluções existentes e as suas características mais importantes e no subcapítulo – Capacidade de Armazenamento – são efectuados alguns cálculos numéricos com o objectivo de ilustrar melhor o seu funcionamento e correcto dimensionamento de um sistema utilizando Supercondensadores. Por fim são traçadas algumas conclusões gerais do presente relatório, como não poderia deixar de ser num trabalho desta natureza.
Não se pretende com este trabalho elaborar uma “dissertação”, mas sim abordar de uma forma geral toda esta temática tentando especificar sempre que possível e apropriado a temática dos veículos eléctricos como não poderia deixar de ser. O presente relatório pode também ser um complemento útil para a desmistificação desta temática, que muitas vezes é abordada como se fosse composta por uma complexidade transcendente.
Neste caso concreto de estudo vai ser modelizado e simulado um chopper de quatro quadrantes para, juntamente com um controlador PI, efectuar o controlo de binário de um motor DC de magnetos permanentes.
Os dispositivos semicondutores utilizados são comutados a uma frequência bastante elevada (na ordem dos kHz) devendo ser dimensionados e escolhidos os circuitos de ajuda à comutação respectivos de acordo com os semicondutores utilizados na aplicação. Neste trabalho prático não vai existir uma preocupação no sentido de analisar o seu funcionamento, admitindo que estes são interruptores ideais em toda a análise efectuada.
A técnica de comando utilizada é designada por Pulse Width Modulation – PWM – que consiste na variação do valor médio do sinal de saída, variando o tempo em que os dispositivos semicondutores estão à condução mantendo constante a frequência de comutação (sinal de saída de razão cíclica variável – duty cycle).
A modulação de sinais recorrendo a PWM é largamente utilizada, e está presente no nosso dia-a-dia desde carregadores de baterias, sistemas de comunicação, servomotores, entre outros equipamentos e aplicações.
O accionamento electromecânico utilizado neste caso de estudo é constituído pelos seguintes subsistemas:
• Conversor estático de potência;
• Máquina de corrente contínua de magnetos permanentes;
• Circuito de comando.
O controlo de binário vai ser efectuado através de um controlador PI, que garante assim um erro estático nulo. Vão também ser usados limitadores, o que obriga a existir suspensão da acção integral mas todo este conteúdo vai ser abordado mais especificamente ao longo do texto apesar de não ser um dos focos principais deste trabalho prático.
No capítulo 2 vai ser efectuada a modelização do conversor DC/DC utilizado (chopper de quatro quadrantes), no capítulo 3 é efectuada a descrição da técnica de comando utilizada para o conversor DC/DC, no capitulo 4 é efectuada a respectiva modelização da máquina de corrente contínua, no capitulo 5 e respectivos subcapítulos é descrita a técnica de controlo de binário utilizada – controlador PI, no capitulo 6 são apresentadas e descritas as simulações efectuadas em MATLAB®/SIMULINK e como não poderia deixar de ser num trabalho desta natureza no capítulo 7 são retiradas conclusões que visam resumir todo o trabalho desenvolvido.
Como na grande parte dos problemas de engenharia com algum grau de complexidade a melhor opção de resolução passa sempre por decompor um sistema complexo em vários subsistemas de menor complexidade, e este caso não vai ser excepção. O veículo eléctrico vai ser decomposto basicamente nos seguintes blocos:
• Motor;
• Pneu;
• Estrutura do veículo.
Através desta decomposição e das fórmulas utilizadas para modelizar o veículo é possível assim estudar o seu funcionamento dinâmico, podendo aferir assim qual irá ser o seu desempenho tendo em conta a variação do tipo de piso utilizado.
No capítulo 2 – Modelo da Dinâmica ¼ de veículo – é efectuada a descrição Geral do sistema (Parâmetros Gerais e problema em estudo) e feita toda a modelização matemática necessária para poder descrever o comportamento dinâmico do motor, Pneu e estrutura (Subcapítulos 2.3, 2.4 e 2.5 respectivamente). No capítulo 3 – Simulação numérica em MATLAB®/SIMULINK – são demonstrados os resultados de simulação obtidos efectuando também a sua análise, terminando no capítulo 4 – Conclusões – como não poderia deixar de ser num trabalho desta natureza.
O rectificador em estudo é constituído basicamente por dois rectificadores trifásicos em ponte, alimentados por um transformador com dois secundários – D/ (Y|D) (secundários em estrela e triângulo, permitindo assim um desfasamento de 30 graus na sua saída). A saída dos rectificadores alimenta uma bobina interfásica que garante a continuidade no fornecimento de corrente garantindo um regime não lacunar de funcionamento dos conversores (garante a correcta “partilha” de corrente entre rectificadores).
Neste trabalho prático não foi apenas efectuada a simulação em MATLAB® / SIMULINK, à semelhança do efectuado nos dois trabalhos anteriores, foram também efectuados testes laboratoriais registando devidamente as formas de onda obtidas através de osciloscópio. Ao ter disponíveis dados experimentais permite validar o modelo teórico desenvolvido e simulado, pelo que a sua obtenção se reveste sempre de uma grande importância.
No Capítulo 2 – Subestação de Tracção em CC – é efectuada uma descrição geral do “problema” proposto (subcapítulo 2.1 – Descrição Geral), são apresentados os detalhes da simulação e resultados numéricos e experimentais obtidos (subcapítulo 2.1 e 2.2 – Modelo Elaborado MATLAB® / SIMULINK e Resultados obtidos) e é efectuada uma análise dos resultados obtidos (subcapítulo 2.4 – Análise de Resultados). De seguida no capítulo 3 – Conclusões – como o próprio nome indica são efectuadas as conclusões gerais de todo o trabalho desenvolvido como não poderia deixar de ser num trabalho desta natureza.
O ondulador de tensão é constituído pelos subsistemas:
• Conversor estático de potência;
• Circuito de comando e Controlo;
• Carga RL.
Sendo estes abordados um a um ao longo deste trabalho prático, procurando assim ilustrar todo o trabalho desenvolvido.
O sistema de controlo implementado neste trabalho prático é um sistema em cadeia aberta o que simplifica em parte a sua implementação pois não é necessário efectuar o dimensionamento de compensadores adequados, como aconteceu no trabalho anterior de controlo de velocidade de uma máquina DC de magnetos permanentes com anel subordinado de corrente.
Para tal, e à semelhança do efectuado para o trabalho laboratorial nº1, vai-se recorrer ao Software MATLAB® SIMULINK para efectuar a simulação e controlo experimental através da sua interacção com o controlador dSPACE.
Procurando assim perceber o seu funcionamento através dos diversos “passos” que vão sendo abordados ao longo deste relatório.
Neste caso concreto de estudo vai ser modelizado, simulado e efectuado ensaios laboratoriais a um chopper de quatro quadrantes para fornecer tensão variável para o controlo de velocidade de um motor DC de magnetos permanentes.
Os dispositivos semicondutores utilizados são comutados a uma frequência bastante elevada (na ordem dos kHz) devendo ser dimensionados e escolhidos os circuitos de ajuda à comutação respectivos de acordo com os utilizados na aplicação. Neste trabalho prático não vai existir uma preocupação no sentido de analisar o seu funcionamento, admitindo que este são interruptores ideais na análise efectuada.
A técnica de comando utilizada é designada por Pulse Width Modulation – PWM – que consiste na variação do valor médio do sinal de saída, variando o tempo em que os dispositivos semicondutores estão à condução mantendo constante a frequência de comutação (sinal de saída de razão cíclica variável – duty cycle).
A modulação de sinais recorrendo a PWM é utilizada, e está presente no nosso dia-a-dia desde carregadores de baterias, sistemas de comunicação, servomotores, entre outros equipamentos e aplicações.
O accionamento electromecânico a estudar é constituído pelos seguintes subsistemas: Conversor estático de potência, máquina de corrente contínua de magnetos permanentes e circuito de comando e controlo e é na abordagem a cada um destes quer experimentalmente quer por simulação que este trabalho prático se vai basear.
• Configurar Entradas Analógicas de uma Carta de Aquisição de Sinal;
• Processar os sinais adquiridos com vista à determinação do conteúdo Harmónico de Tensão e Corrente e Potências associadas em regime Não-Sinusoidal;
• Calcular o Factor de Potência, Factor de desfasamento de 1.ª Harmónica e valores de Distorção Harmónica Total;
• Verificar o enquadramento dos parâmetros medidos de acordo com a Normalização da Qualidade de Tensão (EN 50160) e da Compatibilidade Electromagnética (IEC 61000-3-2).
• Elaborar um Programa em LabVIEW® que indique o Peso Aplicado a uma célula de Carga com base em Sensores de Deformação Resistivos.
• Central Fotovoltaica (Painéis e inversor);
• Grupo electrogéneo de Backup;
• Electrolisador;
• Pilha de combustível (Fuel Cell do tipo PEM);
• Conversor de potência;
• Depósito de Hidrogénio;
• Depósito de Oxigénio;
• Depósito de Água;
• Unidade de monitorização (efectua controlo, comando e supervisão do sistema).
O objectivo deste relatório não é efectuar o dimensionamento da central fotovoltaica em si, nem dimensionar a unidade de monitorização com todas as especificidades associadas ao seu funcionamento. Este trabalho prático vai-se centrar no funcionamento e respectivo dimensionamento dos restantes constituintes pertencentes ao sistema de hidrogénio, que são os que têm fundamento teórico tendo em conta a área de abordagem desta disciplina.
É importante ter em consideração em toda a abordagem do presente trabalho que devem ser asseguradas todas as condições e soluções para um normal funcionamento da instalação, não esquecendo aqui o factor mais importante que é a continuidade de serviço. Ou seja, este sistema deve ser correctamente dimensionado e possuir as devidas redundâncias, para que em caso de falha da fonte de energia principal a carga continue a ser alimentada por outra fonte de energia redundante.
No capítulo 2 – Descrição e funcionamento da U.P.E.H. – vai ser efectuada a descrição do diagrama de cargas da instalação com a análise detalhada do seu funcionamento. No capítulo 3 – Constituintes da central U.P.E.H. – vai ser efectuado o dimensionamento e descrição do electrolisador, pilha de combustível, depósitos de combustível (Hidrogénio, Oxigénio e Água), tubagens, válvulas, entre outros. Sendo aqui que se refere também qual a potência a contratar (pedido no respectivo enunciado) e se efectua o correcto dimensionamento do grupo electrogéneo. No capítulo 4 – Conclusões – São tecidas algumas conclusões como não poderia deixar de ser num trabalho desta natureza.
Neste relatório vai ser explorada a pilha de combustível, efectuando uma introdução teórica sobre a mesma referindo os tipos existentes e as características gerais procurando aprofundar o funcionamento das pilhas PEM e as Alcalinas. Também se dedicou um subcapítulo a uma comparação entre AFC e as PEMFC, tecendo algumas conclusões sobre ambas. Na parte prática deste relatório vai ser traçada a curva característica da pilha de combustível do tipo PEM existente em laboratório, procurando explicar assim o seu comportamento.
de desenvolvimento Arduino, não só para quem se está a iniciar no assunto, mas, também,
para quem procura aprofundar mais o seu conhecimento sobre o tema.
O Arduino é uma ferramenta de desenvolvimento “open source”, tendo surgido de um
projecto académico - quem sabe um projecto seu não poderá ter o mesmo sucesso?... Como
ferramenta é usualmente associado à filosofia de “Physical Computing”, ou seja, ao conceito
que engloba a criação de sistemas físicos através do uso de Software e Hardware capazes de
responder a inputs vindos do mundo real.
Podemos designar o Arduino simplesmente como uma peça de Hardware ou um
Software de desenvolvimento, mas é muito mais que isso. Devido ao sucesso que tem vindo a
alcançar ao longo do tempo, existe uma enorme comunidade de utilizadores/seguidores em
todo o Mundo, podendo afirmar-se que o Arduino representa também uma enorme
comunidade. As razões para tal sucesso baseiam-se no seu baixo custo - dadas as suas
funcionalidades -, a simplicidade na utilização e a possibilidade de utilização em vários
sistemas operativo, como o Windows, Macintosh OS e Linux - capacidade essa denominada
por “Cross-platform”.
O estudo do Arduino abre-nos portas à compreensão de uma importante ferramenta de
desenvolvimento através de uma aprendizagem simples mas dedicada, onde podemos fazer
desde robots a domótica entre muitas outras aplicações, bastando simplesmente ter
imaginação.
Devido à sua enorme utilização, como foi referido anteriormente, torna-se um assunto
quase que obrigatório a abordar, sendo o seu conhecimento uma mais-valia para todos os
interessados pela electrónica (e não só).
Assim, espera-se que este tutorial seja uma pequena ajuda para a aquisição de
conhecimento sobre a temática em estudo, que deverá pautar pela dedicação.