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Publication
Development of an optimised floating base with reconfigurable geometry for a drone supporting ASV
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 16.46 MB | Adobe PDF |
Authors
Abstract(s)
Sustainable development has become one of the greatest challenges of the current time,
requiring solutions that enable natural resources to be used efficiently and safely. Among the
different sources of renewable energy, offshore wind energy stands out for its high production
potential, taking advantage of the greater intensity and regularity of sea winds. However, its
location in harsh environments increases the need for regular inspections, which, when carried
out by human operators, are costly, time-consuming, and risky. In this context, the integration
of autonomous surface vehicles (ASVs) and unmanned aerial vehicles (UAVs) emerges as an
innovative solution for safer, more efficient, and more economical operations.
The objective of this dissertation was to develop an optimized and reconfigurable floating base
designed to support UAV operations in a maritime environment. The system acts as a mobile
platform, recharging station, and stabilized take-off/landing point. With these features, it
contributes to increasing the autonomy and efficiency of UAVs, while reducing the risks and
costs associated with offshore inspections. The proposed design features a modular
architecture capable of operating in two main configurations: an open mode, where the hulls
are extended to maximize stability for open-sea conditions, and a closed mode, where the
structure is retracted to provide compactness for easier transport, storage, and
manoeuvrability. Initially, existing systems and their limitations were analysed, and a sequential
phase development methodology was established. A preliminary study with several iterations
was carried out, using the Ashby selection method to define the most appropriate solution. This
analysis was followed by the detailed design phase, which included material selection,
structural dimensioning, and numerical simulation checks. In addition, finite element method
(FEM) simulations were performed using SolidWorks Simulation, evaluating both the response
of the mechanism to the weight of the components and the impact of the buoyancy force of
the hulls.
The results showed that the integration of a 3-RPU parallel mechanism coupled to a modular
hull structure significantly increases stability and operational safety. In particular, it was found
that the distance between hulls, in the final solution, can vary from 1160 mm in the closed
configuration to 1960 mm in the open configuration, leading to a 33.3% increase in the stability
range (from 50° to 70°). This improvement means that the system only loses stability at steeper
angles, ensuring better conditions for joint UAV/ASV operations. The results revealed good
structural stiffness and confirmed the operational safety of the developed system.
O desenvolvimento sustentável tornou-se um dos maiores desafios da atualidade, exigindo soluções que permitam aproveitar os recursos naturais de maneira eficiente e segura. Entre as diferentes fontes de energia renovável, a energia eólica offshore destaca-se pelo seu elevado potencial de produção, tirando partido da maior intensidade e regularidade dos ventos marítimos. No entanto, a sua localização em ambientes severos aumenta a necessidade de inspeções regulares, que, quando realizadas por operadores humanos, são dispendiosas, demoradas e arriscadas. Neste contexto, a integração de ASVs e UAVs surge como uma solução inovadora para operações mais seguras, eficientes e económicas. O objetivo desta dissertação foi desenvolver uma base flutuante otimizada e reconfigurável, concebida para suportar operações de UAV em ambiente marítimo. O sistema atua como uma plataforma móvel, estação de recarga e ponto estabilizado de descolagem e aterragem. Com estas características, contribui para aumentar a autonomia e a eficiência dos UAVs, reduzindo simultaneamente os riscos e os custos associados a inspeções offshore. O design proposto apresenta uma arquitetura modular capaz de operar em duas configurações principais: um modo aberto, em que os cascos são estendidos para maximizar a estabilidade em condições de mar aberto, e um modo fechado, em que a estrutura é recolhida para proporcionar compacidade e facilitar o transporte, o armazenamento e a manobrabilidade. Inicialmente, foram analisados os sistemas existentes e as suas limitações, tendo sido estabelecida uma metodologia de desenvolvimento em fases sequenciais. Foi realizado um estudo preliminar com várias iterações, tendo sido utilizado o método de seleção de Ashby para definir a solução mais adequada. Seguiu-se a fase de conceção detalhada, que incluiu a seleção de materiais, o dimensionamento estrutural e a realização de verificações por simulação numérica. Complementarmente, foram realizadas simulações por método dos elementos finitos (FEM) com recurso ao SolidWorks Simulation, avaliando tanto a resposta do mecanismo ao peso dos componentes como o impacto da força de flutuabilidade dos cascos. Os resultados demonstraram que a integração de um mecanismo paralelo 3-RPU acoplado a uma estrutura modular de cascos aumenta de forma significativa a estabilidade e a segurança operacional. Em particular, verificou-se que a distância entre cascos, na solução final, pode variar de 1160 mm na configuração fechada para 1960 mm na configuração aberta, conduzindo a um aumento de 33,3% no intervalo de estabilidade (de 50° para 70°). Esta melhoria implica que o sistema apenas perde estabilidade a partir de inclinações mais acentuadas, assegurando melhores condições para operações conjuntas UAV/ASV. Os resultados revelaram boa rigidez estrutural e confirmaram a segurança operacional do sistema desenvolvido.
O desenvolvimento sustentável tornou-se um dos maiores desafios da atualidade, exigindo soluções que permitam aproveitar os recursos naturais de maneira eficiente e segura. Entre as diferentes fontes de energia renovável, a energia eólica offshore destaca-se pelo seu elevado potencial de produção, tirando partido da maior intensidade e regularidade dos ventos marítimos. No entanto, a sua localização em ambientes severos aumenta a necessidade de inspeções regulares, que, quando realizadas por operadores humanos, são dispendiosas, demoradas e arriscadas. Neste contexto, a integração de ASVs e UAVs surge como uma solução inovadora para operações mais seguras, eficientes e económicas. O objetivo desta dissertação foi desenvolver uma base flutuante otimizada e reconfigurável, concebida para suportar operações de UAV em ambiente marítimo. O sistema atua como uma plataforma móvel, estação de recarga e ponto estabilizado de descolagem e aterragem. Com estas características, contribui para aumentar a autonomia e a eficiência dos UAVs, reduzindo simultaneamente os riscos e os custos associados a inspeções offshore. O design proposto apresenta uma arquitetura modular capaz de operar em duas configurações principais: um modo aberto, em que os cascos são estendidos para maximizar a estabilidade em condições de mar aberto, e um modo fechado, em que a estrutura é recolhida para proporcionar compacidade e facilitar o transporte, o armazenamento e a manobrabilidade. Inicialmente, foram analisados os sistemas existentes e as suas limitações, tendo sido estabelecida uma metodologia de desenvolvimento em fases sequenciais. Foi realizado um estudo preliminar com várias iterações, tendo sido utilizado o método de seleção de Ashby para definir a solução mais adequada. Seguiu-se a fase de conceção detalhada, que incluiu a seleção de materiais, o dimensionamento estrutural e a realização de verificações por simulação numérica. Complementarmente, foram realizadas simulações por método dos elementos finitos (FEM) com recurso ao SolidWorks Simulation, avaliando tanto a resposta do mecanismo ao peso dos componentes como o impacto da força de flutuabilidade dos cascos. Os resultados demonstraram que a integração de um mecanismo paralelo 3-RPU acoplado a uma estrutura modular de cascos aumenta de forma significativa a estabilidade e a segurança operacional. Em particular, verificou-se que a distância entre cascos, na solução final, pode variar de 1160 mm na configuração fechada para 1960 mm na configuração aberta, conduzindo a um aumento de 33,3% no intervalo de estabilidade (de 50° para 70°). Esta melhoria implica que o sistema apenas perde estabilidade a partir de inclinações mais acentuadas, assegurando melhores condições para operações conjuntas UAV/ASV. Os resultados revelaram boa rigidez estrutural e confirmaram a segurança operacional do sistema desenvolvido.
Description
Keywords
Autonomous surface vehicles Reconfigurable mechanism Hydrostatic stability Inspection and maintenance of offshore wind turbines Structural analysis Veículos de superfície autónomos Mecanismo reconfigurável Estabilidade hidrostática Inspeção e manutenção de turbinas eólicas offshore Análise estrutural