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Development and validation of an underwater image perception system
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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Authors
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Abstract(s)
With the aggravation of climate change, the production of green energy has become a global priority. In this context, the industry has invested in offshore wind turbines, designed to convert wind’s kinetic energy into electrical power. However, due to the remote and hard-to-access locations of these structures, the use of underwater vehicles equipped with perception systems and inspection or intervention tools is essential, enabling operations to be carried out either autonomously or under remote control, while reducing the costs associated with using dedicated personnel. Perception systems in this context face significant challenges, not only due to environmental limitations such as light attenuation, turbidity, and acoustic distortions, but also because of strict constraints on size, weight, and energy consumption, which directly affect the vehicle’s buoyancy, manoeuvrability, and autonomy. This dissertation aims to develop an underwater perception system, together with a coupling system that allows its simultaneous use with other inspection or intervention equipment. The
main objective is to reduce the volume and weight of an existing perception system, MARESye, thereby improving its hydrodynamic performance and reducing the acting forces when mounted on a robotic arm. Furthermore, the system must be capable of operating at depths of up to 300 m and be integrated into a multifunctional coupling system. At an initial stage, existing systems are analysed, and their limitations are identified, associating them with the objectives of the project. Subsequently, the working methodology is defined and structured into sequential steps to enable a more effective product development. A pre-design study is then carried out, in which several iterations are evaluated and, through the Ashby selection method, the solution that best meets the project requirements is selected. This is followed by the design phase, based on philosophies of excellence, in which the materials are defined, the sizing is performed, and the necessary structural verifications are conducted. The results of the static analyses demonstrate that the perception system can withstand depths
of up to 300 m, while the coupling system ensures the precise simultaneous use of other equipment. The dynamic analyses further reveal a significant reduction in hydrodynamic forces compared with the previous version (-34.78%), resulting in improved hydrodynamic performance of the new solution. Additionally, a considerable reduction in both weight (-67.82%) and volume (-60.22%) of the underwater perception system was achieved.
Com o agravamento das alterações climáticas, a produção de energia verde tornou-se uma prioridade global. Neste contexto, a indústria tem investido em turbinas eólicas offshore, projetadas para converter a energia cinética do vento em energia elétrica. Contudo, devido à localização remota e de difícil acesso destas estruturas, torna-se necessária a utilização de veículos subaquáticos equipados com sistemas de perceção e ferramentas de inspeção e intervenção, capazes de operar tanto de forma autónoma como remotamente controlada, reduzindo simultaneamente os custos associados à utilização de pessoal dedicado. Além das restrições ambientais, os sistemas de perceção também devem cumprir requisitos rigorosos em relação ao tamanho, peso e consumo de energia, para não comprometer a flutuabilidade, manobrabilidade e autonomia do veículo, tornando o desenvolvimento de soluções eficazes particularmente exigente. Esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de perceção subaquática, a partir de uma versão já existente, e de um sistema de acoplamento que permita a sua utilização em simultâneo com outros equipamentos de inspeção ou intervenção. O principal propósito é reduzir o volume e o peso do sistema de perceção existente, aumentando seu desempenho hidrodinâmico e diminuindo as forças atuantes quando este se encontra montado num braço robótico. Adicionalmente, o sistema deve ser capaz de operar a profundidades até 300 metros e integrar-se num sistema de acoplamento multifuncional. Numa fase inicial, analisaram-se os sistemas já existentes e identificaram-se as suas limitações, associando-as aos objetivos do projeto. Posteriormente, definiu-se a metodologia de trabalho, estruturada em etapas sequenciais que permitissem um desenvolvimento mais eficaz do produto. Conduziu-se também um estudo de pré-design, no qual foram avaliadas várias iterações e, através do método de seleção de Ashby, selecionou-se a solução mais adequada aos requisitos do projeto. Seguidamente, avançou-se para a fase de design, baseada em filosofias de excelência, na qual foram definidos os materiais, realizado o dimensionamento e efetuadas as verificações estruturais necessárias. Os resultados das análises estáticas demonstram que o sistema de perceção consegue atingir os 300 m de profundidade, enquanto o sistema de acoplamento garante a utilização simultânea de outros equipamentos com precisão. As análises dinâmicas evidenciam ainda uma redução significativa das forças hidrodinâmicas relativamente à versão anterior (-34.78%), conferindo maior desempenho hidrodinâmico à nova solução. Além disso, registou-se uma redução expressiva tanto no peso (-67.82%) como no volume (-60.22%) do sistema de perceção subaquática.
Com o agravamento das alterações climáticas, a produção de energia verde tornou-se uma prioridade global. Neste contexto, a indústria tem investido em turbinas eólicas offshore, projetadas para converter a energia cinética do vento em energia elétrica. Contudo, devido à localização remota e de difícil acesso destas estruturas, torna-se necessária a utilização de veículos subaquáticos equipados com sistemas de perceção e ferramentas de inspeção e intervenção, capazes de operar tanto de forma autónoma como remotamente controlada, reduzindo simultaneamente os custos associados à utilização de pessoal dedicado. Além das restrições ambientais, os sistemas de perceção também devem cumprir requisitos rigorosos em relação ao tamanho, peso e consumo de energia, para não comprometer a flutuabilidade, manobrabilidade e autonomia do veículo, tornando o desenvolvimento de soluções eficazes particularmente exigente. Esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de perceção subaquática, a partir de uma versão já existente, e de um sistema de acoplamento que permita a sua utilização em simultâneo com outros equipamentos de inspeção ou intervenção. O principal propósito é reduzir o volume e o peso do sistema de perceção existente, aumentando seu desempenho hidrodinâmico e diminuindo as forças atuantes quando este se encontra montado num braço robótico. Adicionalmente, o sistema deve ser capaz de operar a profundidades até 300 metros e integrar-se num sistema de acoplamento multifuncional. Numa fase inicial, analisaram-se os sistemas já existentes e identificaram-se as suas limitações, associando-as aos objetivos do projeto. Posteriormente, definiu-se a metodologia de trabalho, estruturada em etapas sequenciais que permitissem um desenvolvimento mais eficaz do produto. Conduziu-se também um estudo de pré-design, no qual foram avaliadas várias iterações e, através do método de seleção de Ashby, selecionou-se a solução mais adequada aos requisitos do projeto. Seguidamente, avançou-se para a fase de design, baseada em filosofias de excelência, na qual foram definidos os materiais, realizado o dimensionamento e efetuadas as verificações estruturais necessárias. Os resultados das análises estáticas demonstram que o sistema de perceção consegue atingir os 300 m de profundidade, enquanto o sistema de acoplamento garante a utilização simultânea de outros equipamentos com precisão. As análises dinâmicas evidenciam ainda uma redução significativa das forças hidrodinâmicas relativamente à versão anterior (-34.78%), conferindo maior desempenho hidrodinâmico à nova solução. Além disso, registou-se uma redução expressiva tanto no peso (-67.82%) como no volume (-60.22%) do sistema de perceção subaquática.
Description
Keywords
Autonomous underwater vehicles Underwater inspection and intervention Product development Underwater perception systems Coupling systems Veículos autónomos subaquáticos Inspeção e intervenção subaquática Desenvolvimento do produto Sistemas de perceção subaquática Sistemas de acoplamento