40. SBAI...; SimpósioBrasileirode Automação-Inteligente, SãoPaulo, SP, 08-10 de Setembrode 1999

PROJETO DE UM SISTEMA ROBÓTICO INTELIGENTEPARA INSTALAÇÃO DE EQUIPAMENTOS EM

POÇOS PETROLíFEROS EM ÁGUAS PROFUNDASPaulo E. M. Almeida Marcelo G. Simões

l:8J - Departamento de Pesquisa e Pós-Graduação I CEFET-MGAv. Amazonas, 7675 - NovaGameleira - CEP: 30.510-000 - BH - MG - BRASIL

e-mail- paulo@dppg.cefetmg.br FAX: +55-(0)31-319-5212I:8JI:8J -Mecatrônica - Escola Politécnica- USP

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ABSTRACTIn this work, it is proposed the design

methodology to minimize time and cost spent atdeepwater petroleum platforms while carrying andmounting operational equipment.

The problem is described along with a surveyon autonomous underwater vehicles (AUl's) withsome architectures commonly used to control thebehavior of such systems. Real-time operatingsystems characteristics are also described and theirimpact on the system performance.

Some desired features of the resulting roboticsystem are listed, and some discussions aboutachieving those properties are shortly dealt. Thedesign outline steps to be taken are shown and acomparison between the proposed solution and atypicalAUV are fully described.

KEYWORDSRobotics, Autonomous Underwater Vehicles,Intelligent ControI.

RESUMONeste trabalho, é proposta uma metodologia

de projeto robótico para minimizar o tempogasto e ocusto de extração de petróleo em águas profundas,no processo de transporte e recuperação deequipamentos de operação.

Inicialmente o problema é descrito e é dadauma visão geral sobre a área de robôs autônomossubmarinos (AUVs, do termo em língua inglesa"Autonomous Underwater Vehicles") e sobrealgumas arquiteturas de controle usadas comumentepara o controle do comportamento de tais sistemas.É mostrada uma breve visão dos sistemas

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operacionais de tempo real, para salientar a suaimportânciapara o desempenhodo sistema robótico.

São listadas as características desejáveis dosistema a ser construído e discutidas as formas de sealcançá-Ias. São propostos os passos de execução doprojeto do sistema robótico, e finalmente discutidasas diferenças básicas entre a solução proposta e umAUV típico.

PALAVRAS CHAVESRobótica, Veículos Autônomos Submarinos,Controle Inteligente.

1 INTRODUÇÃOUm robô móvel consiste normalmente de

uma estrutura eletromecânica planejada e projetadade maneira adequada à resolução de um dadoproblema, dispondo de sensores .que forneceminformações sobre o ambiente e atuadores quepermitem o seu deslocamento e modificação desteambiente. Um robô móvel autônomopossui sistemasde planejamento, controle e navegação adicionaisque, baseados em uma missão ou meta pré-definidae nas informações provenientes dos sensores,"decidem" quais comandos serão enviados aosatuadores, definindo de maneira independente a suatrajetória e seu comportamento durante a execuçãode umamissão.

Na área de extração de petróleo em águasprofundas, é comum atualmente a utilização deembarcações de posicionamento dinâmico (quemantêm a sua posição horizontal fixa sob a ação deagentes ambientais causadores de distúrbios, comoventos, ondas e correntes marítimas, em locais ondenão é possível se utilizar os métodos convencionaisde ancoramento) e a instalação a cabo deequipamentos para operação dos poços submersos(figura 1).

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Su erfrcie do mar

Embarca?ã.?Supervlsao

CorrentesMarrtimas

Equipamento de Conexão

-' ROV de monitoração

TI >Y1'e>-<::>-o-o... Fundo do marFigura 1 : Operação convencional de conexão vertical com cabo flexível

Esta operação consome tempo e custoselevados, utilizando processos e técnicasdispendiosos como a necessidade de recuperação delinhas flexíveis de produção. ferramentas deaquecimento externo de tubulações submarinas.ferramentas de inspeção submarina, etc. [Nagle,1993 ; Cerqueira, 1998]. A transformação doequipamento submarino convencional de transporte(cabos e risers de completação) em um sistemarobótico autônomo possibilitaria a diminuição dotempo de execução das operações básicas delançamento, conexão e recuperação, além deextinguir operações auxiliares. Além disto,promoveria uma diminuição nos custos e umaumento na confiabilidade c praticidade daoperação. O sistema robótico autônomo consistebasicamente de uma referência precisa de posição eum sistema de controle de posição acoplados noequipamento submarino, juntamente com umcomputador de bordo que controla e fornece demaneira autônoma os comandos adequados àsoperações desejadas. Ele deve funcionar como aferramenta básica de controle do transporte deequipamentos entre a superfície e os sistemas deprodução submersos. Um protótipo deste sistemarobótico é visto de forma esquemática na figura 2.

Este artigo foi organizado de forma adescrever separadamente vários aspectos relevantessobre o projeto de veículos autônomos submarinos epermitir a utilização das várias técnicas descritas deuma forma combinada. Assim, a seção 2 trata dotema específico dos veículos autônomos submarinos(AUVs), a seção 3 mostra brevemente algumasarquiteturas de controle comumente utilizadas e aseção 4 versa sobre os sistemas operacionais detempo real. Na seção 5 é proposta uma metodologiapara o projeto do sistema em questão e sãodiscutidos aspectos sobre a implementação esimulação.

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SistemaPropulsor

SistemaSensor

Figura 2 : Diagrama esquemático dosistema robótico proposto

2 VeíCULOS AUTÔNOMOSSUBMARINOSUm veículo autônomo submarino transporta

sua própria fonte de energia e depende de umcomputador de bordo com inteligência de máquinaembutida para a execução de uma missão específica[Valavanis, 1997]. A missão de um robô autônomoconsiste normalmente de uma série de instruçõespré-programadas que podem ser modificadas emtempo de execução por um evento interno dosistema de controle ou por eventos externosprovenientes do ambiente.

Um AUV pode ser lançado a partir deembarcações simples e pequenas ou até mesmo deum cais ou pier, ao contrário do que ocorre no casode um veículo operado remotamente (como um ROVpor exemplo), que normalmente depende de cabosde alimentação e controle e de todo o material deoperação e monitoração associado. Estacaracterística permite que um AUV opere adistâncias significativamente grandes dasembarcações de suporte. O custo de operação

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3.2 Arquiteturas "Heterárquicas"Surgidas como uma antítese de sua

antecessora na década de 80, as arquiteturas destaclasse se caracterizam principalmente por umaorganização essencialmente paralela onde todos osmódulos podem se comunicar diretamente entre si ecom os níveis básicos de percepção e regulação(figura 4). A ausência de níveis intermediários e deum nível de supervisão proporciona uma pluralidadenos momentos de tomada de decisão. Dependendodo momento da missão e das circunstâncias externasatuais, um ou outro módulo em particular pode obterprioridade e definir os próximos passos a seremseguidos.

Figura 3 : Decomposição de níveis em umaarquitetura hierárquica típica

Uma vantagem desta classe de arquiteturas éa definição clara dos acoplamentos internos dosistema. Isto permite um maior nível de verificação eavaliação do comportamento do funcionamentoglobal. Por outro lado, esta mesma característicaconfere ao sistema um baixo nível de flexibilidade.Qualquer processo de modificação que se mostrenecessário requer bastante trabalho e acaba porafetar toda a estrutura do sistema.

Como não existe comunicação direta entre osníveis superiores de controle e os elementos físicosde baixo nível, os tempos de resposta passam a sermais altos e a integração entre sensores e atuadores ébaixa. Uma conseqüência direta deste fato é a faltade reatividade dinâmica do robô em situações novasou inesperadas [Valavanis, 1997].

Atuadore sSensores .

também é reduzido. já que não há necessidade deoperadores humanos para o cumprimento de umamissão.

Por outro lado, as operações realizadas porum AUV se limitam às capacidades do seu sistemade controle, navegação e tomada de decisões. Alémdisso, a ausência de conexão física entre o veículo ea embarcação de supervisão reduz a sua autonomiade navegação, limitando o tempo de duraçãomáximo das missões.

Desta forma, a potência disponível, o sistemade navegação e o gerenciamento da missão sãopontos críticos neste tipo de veículo, determinando asua adequação às necessidades específicas existentesem cada aplicação . Avanços nestas áreasdeterminarão num futuro próximo a continuidade datecnologia dos AUVs, permitindo a flexibilidade nossistemas de comunicação, planejamento temporaleficiente e integração com os sistemas de aquisiçãode dados e atuação, além de reatividade e adaptaçãoa mudanças no ambiente externo. Por reatividadeaqui entende-se a propriedade de um sistemaartificial de responder a um estímulo externo deforma rápida e eficaz, como o faria um ser humanoou um animal.

3 ARQUITETURAS DE CONTROLECOMUNS EM AUVSO sistema dc controle de um AUV deve

proporcionar a integração entre os vários sensoresexistentes , os algoritmos de controle e regulação dasvariáveis dinâmicas c os atuadores. Além disto, osistema de controle deve também realizar tarefas demais alto nível, como o gerenciamento global daexecução da missão, o mapeamento do ambienteexterno, a navegação em geral, entre outras. Odesenvolvimento de várias propostas eimplementações de arquiteturas de controle nosúltimos anos foi determinante para o grande avançoobservado na área de veículos autônomos em geral.São descritas a seguir as mais importantes edifundidas na literatura .

Figura 4 : Decomposição de módulos em urnaarquitetura "heterárquica"

Uma vantagem clara desta classe de sistemasé a sua flexibilidade e os baixos níveis de fluxo deinformação requeridos para o seu funcionamento. Jáque o acesso aos meios físicos é permitido a

3.1 Arquiteturas Hierárquicas:Surgidas em conjunto com as primeiras

gerações de robôs móveis, no início da década de 70,elas utilizam uma abordagem top-down para dividiro sistema de controle em níveis hierárquicos. Osníveis mais elevados são responsáveis pelas metasglobais da missão, enquanto os níveis inferiores seresponsabilizam pela resolução de problemasparticulares e de caráter mais localizado (figura 3).A comunicação s6 é possível entre dois níveisadjacentes . Os níveis superiores enviam comandospara os níveis de baixo e recebem dados captadospor estes. Normalmente, o fluxo de informações émaior nos níveis inferiores e vai diminuindo nadireção dos níveis superiores.

. Sensores ' . Atuadores :

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qualquer módulo componente, esta , arquiteturademonstra maiores índices de robustez e tolerância afalhas.

Entretanto, a falta de supervisao podeacarretar problemas de controlabilidade emmomentos nos quais dois ou mais módulos possuaminteresses conflitantes . Além disso, para se dotar osvários componentes do sistema do grau deindependência existente, é comum a necessidade derepetição de informações e a duplicação de códigodurante o 'projeto, o que aumenta o tamanho dosistema global [Barros, 1996].

Figura 5 : Decomposição de comportamentos emuma arquitetura de subordinação (subsumption)

Entre as vantagens deste novo' esquema defuncionamento, pode-se citar um alto grau derobustez e flexibilidade, além da obtenção de níveisde comportamento reativo nunca antes apresentados.Mostrou-se também que a complexidade do softwarenecessário à implementação deste modelo é baixa, oque auxiliou fortemente a sua disseminação eutilização.

3.3 Arquitetura de Subordinação(subsumption) :Formulada nos anos 80, quando se

experimentavam grandes avanços nas áreas deneuro-fisiologia, etologia e genética, este tipo dearquitetura tentou erradicar as idéias até entãovigentes de separação dos conceitos de percepção eraciocínio e de importância exagerada aos modelosde representação do ambiente externo. O principalobjetivo era enfatizar a reatividade e a integraçãodos robôs com o ambiente externo.

Basicamente, ela consiste de comportamentosfuncionando em paralelo, sem um nível superior desupervisão (figura 5). Um comportamento consistede uma camada 'de controle que é disparada peloselementos sensores, executando uma ação ' emresposta ao estímulo inicial. Uma camada podesubordinar uma outra camada, e como elas sãoexecutadas de forma paralela, um comportamentosuperior pode suprimir as ações de umcompor tamento inferior. A partir do momento emque cessar o estímulo a uma camada superior, estacamada deixa de atuar e o controle retoma à camadainferior [Brooks, 1986, 1991].

AtuadoresSensores ,

.1 Nrvel da-. Planejamento

...

I Nrvel Intermedi ário (qq. arquitetura, tecnologias auxiliares) I-1 . .J

3.4 Arquiteturas Híbridas :Uma arquitetura hfbrida pode ser obtida a

partir de uma combinação das arquiteturashierárquica, "heterãrquica" e/ou de subordinação, oumesmo a partir da inserção de uma tecnologia ouferramenta auxiliar que minimize uma desvantagemexistente ou inclua uma 'característica desejável aosistema resultante. Normalmente, os sistemahíbridos são divididos em dois níveis principais,superior e inferior, que utilizam níveis diferentes deabstração. Enquanto o nível inferior se concentra emtarefas estratégicas e mais' voltadas para ogerenciamento global da missão eniocurso, o nívelinferior controla toda a parte de regulação, entrada esaída de variáveis (figura 6).

Desvantagens observadas em 'sistemas destetipo são a dificuldade de sincronização etemporização entre comportamentos, acomplexidade de sistemas com muitos ,comportamentos e a falta de ummódulo de controleglobal. Como resultado destas observações, o quecostuma ocorrer na prática é a utilização de umaarquitetura de subordinação modificada, com aadição de um nível de ' controle que direciona asações de uma maneira geral [Mataric, 1992].

Figura 6 : Decomposição de níveis em umaarquitetura híbrida típica

Diferentemente da arquitetura hierárquicatradicional, no entanto, a organização do nívelinferior depende da combinação definida no projetodo robô. Neste sentido, podem ser .utilizadastecnologias que otimizem o funcionamentoparticular de um módulo ou que gerenciem de formamais eficiente partes específicas do sistema decontrole.

A grande vantagem desta abordagem é apreservação das características desejáveis daarquitetura hierárquica com a obtenção deflexibilidade e paralelismo no nível inferior. Umadesvantagem que pode ser observada é a dificuldadede obtenção de um modelo que integre as váriasferramentas utilizadas e permita uma processo deverificação formal do seu funcionamento [Payton,1990; Valavanis, 1997].

4 SISTEMAS DE TEMPO REALSistemas operacionais de tempo real se

caracterizam por possuírem um tempo de resposta

Atuadorss :

.... Planejar mudanças externas

.... Identificar objetos

.... Monitorar mudanças

:-. .. Mapear f+',.... Explorar

... Vagar... Evilar colisões

I Sensores

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curto e determinístico a eventos internos ou externosdetectados. Esta característica, comumentedenominada de latência de um dado sistema, é deextrema importância no caso de aplicações desistemas robóticos ou sistemas dedicados de maneirageral. É sempre desejável, para se obter reatividadedinâmica e interação com o ambiente, que a respostade um sistema robótico a estímulos externos sejarápida e eficiente. Nesta linha, a implementação dosistema de controle em uma plataforma de temporeal é praticamente obrigatória para se alcançar taiscomportamentos.

Do início da década de 80 até os dias atuaisse discutiu e se publicou bastante sobre sistemasoperacionais de tempo real. Foram definidospadrões, classes operacionais, característicasobrigatórias e desejáveis de modo a sistematizar oprojeto e o desenvolvimento de aplicações destanatureza. Os padrões abertos POSIX.l, POSIXA ePOSIX.13 [Stein, 1992 ; Morgan, 1992 ; Labrosse,1999] são comumente adotados atualmente por umagrande faixa de fabricantes e desenvolvedores. Elesna verdade vão além da simples sistematizaçãoestrutural de uma sistema operacional de tempo real,provendo soluções padronizadas para ogerenciamento de memória compartilhada,multiprocessamento, comunicação entre processosconcorrentes, sincronização e outros problemasclássicos oriundos do conceito de sistemasdeterminísticos.

No caso específico do sistema robótico emquestão, os tempos de resposta vão serdeterminantes para a obtenção de uma boacapacidade de manobrabilidade, mapeamentodinâmico e previsão de rotas. Por outro lado, deveser claro para o projetista que, além da utilização deuma plataforma de tempo real, deve ser projetadauma interface eficiente e igualmente rápida com oselementos sensorese atuadores do sistema, para queesta camada física não se transforme em um gargalopara o sistema e invalide os esforços despendidosdurante a implementação do software de controle.

5 PROPOSTA DE PROJETOPara a construção da ferramenta proposta,

pretende-se utilizar os conceitos da área de AUVspara se projetar um sistema robótico dedicado quedeve funcionar acoplado aos equipamentos deextração de petróleo em águas profundas,conduzindo-os de maneira autônoma desde regiõespróximas da superfície até os pontos de conexão dospoços, existentes no leito da bacia oceânica. Estesistema deve permitir tempos de conexão menores,índices de confiabilidade maiores que os atuais ecusto de operação reduzido. As operações básicas aserem executadas pela ferramenta projetada são:• . instalação de árvores de natal;• conexão e recuperação de linhas deexportação nos "hubs" de "manifolds";

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• conexão' e recuperação de umbilicais decontrole de "árvores de natal";

• conexão e recuperação de módulosrecuperáveis de "manifolds" (módulos decontrole, medidores multi-fase, etc.);

• instalação e recuperação dos sistemas deposicionamento dinâmico de sondas;

• outras operações similares às relacionadas.O sistema de navegação e gerenciamento de

missões a ser construído deve possuir comocaracterísticas desejáveis :• Ser desenvolvido em uma plataforma detempo real que garanta de formadeterminística e com latência definida aexecução em tempo hábil das tarefas de.controle;

• Interação eficiente com os sistemas deaquisição de dados e de atuação, propiciandouma utilização otimizada dos recursos físicosdisponíveis;

• Planejamento ativo de trajetórias,considerando modificações devidas a desvios. de rota ou detecção tardia de obstáculos;

• Reatividade adequada e adaptação a novassituações ambientais ou internas;

• Gerenciamento global do andamento de urnamissão, com capacidade de avaliação dasituação atual e previsão das possibilidadesreais de sua conclusão;

• Acompanhamento e supervisão "remota dasoperações executadas.De posse dos objetivos gerais do sistema de

controle, é necessária a definição das ferramentas aserem utilizadas para se alcançá-los. Partindo-se dasarquiteturas de controle de AUVs descritas na seção3, pretende-se chegar a uma configuração híbridaque reuna vantagens e minimize as desvantagens decada componente isoladamente. É óbvio que não étarefa fácil se identificar claramente estes fatores ese determinar uma "arquitetura ideal para o controlede robôs autônomos".

Assim, uma fase de simulação dofuncionamento do sistema em computador deve seradotada, a partir de um modelo matemático ouheurístico do sistema e do ambiente externo. Estasimulação deve abranger a dinâmica demovimentação do veículo no ambiente submarino, aresposta do sistema de controle a eventos externosgerados de forma aleatória e o comportamento geraldo sistema de aquisição, regulação e atuação. Urnaferramenta de simulação. confiável vai permitir arealização de testes de" várias configuraçõesdiferentes de componentes e unidades de controleinterligados, e será grande fonte de informação paratomadas de decisão no momento de criação de umprotótipo do sistema.

Do ponto de vista dos sensores, pretende-seutilizar sonares acústicos adaptados para o

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funcionamento eficiente com as pequenas distânciasenvolvidas (entre 0,3 e 15 m). O sistema de atuaçãodeve ser composto por um conjunto de propulsoreselétricos distribu ídos de forma a propiciar boacapacidade de manobra e correção de rotas. Deforma a permitir o gerenciamento e supervisãoremota de operação, devem ser utilizados modemsacústicos e implementado um protocolo digital detransmissão de dados que seja adequado ao nível decomunicação desejado.

As etapas a serem percorridas durante aimplementação deste projeto são listadas a seguir. Ametodologia adotada é caracterizada pelamodularização das atividades, com o objetivo depromover a aquisição de conhecimentos de formadistribuída e independente do resultado globalalcançado. É importante se salientar que cada umadas etapas seguintes prevê a execução de testessimulados em computador de forma incrementaI, ouseja, em cada etapa serão adicionados ao modeloexistente as modificações e/ou detalhamentoscorrespondentes ao trabalho então executado.

1. Especificação funcional global preliminar;2. Projeto da estrutura mecânica e

"marinização" dos equipamentos;3. Desenvolvimento do sistema propulsor;4. Projeto do sistema de controle de posição;5. Definição das arquiteturas de controle egerenciamento;

6. Projeto dos sistemas de aquisição acústica ede imagens tridimensionais;

7. Definição do sistema de transmissão dedados;

8. Integração e testes.

É importante se salientar que o sistema a serdesenvolvido possui algumas diferenças básicas comrelação a um AUV típico. A primeira e maisimportante é a existência de uma conexão físicaentre o sistema robótico e a embarcação degerenciamento. Isto permite então a instalação decabos de alimentação e de transmissão de dados quepodem aumentar a autonomia e o nível demonitoração externa do sistema.

Uma outra diferença importante é a formageométrica do sistema. Enquanto um AUVnormalmente . é projetado segundo normashidrodinâmicas para minimização do atrito,economia de energia e aumento da manobrabilidade,neste caso o sistema robótico será acoplado a umequipamento já existente e portanto com formato epeso definidos. Assim, as características dinâmicasdo sistema podem ser limitadoras ou desfavoráveisao cumprimento da missão a que ele se propõe.

6 CONCLUSÃOFoi descrito o problema de instalação de

equipamentos em poços petrolíferos em águasprofundas, vivenciado atualmente pelos técnicos da

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Petrobrás na bacia de Campos, no estado do Rio deJaneiro. Foi feita uma análise do problema eproposta uma solução de engenharia baseada natecnologia de veículos autônomos submarinos.

As características comuns de AUVs e asarquiteturas mais utilizadas para o controle enavegação de tais veículos foram discutidasbrevemente. Além disso, foram levantadas algumascaracterísticas desejáveis de sistemas operacionaisde tempo real. A implementação de um sistemaconfiável e robusto depende fortemente da escolhade uma plataforma adequada para odesenvolvimento do software de controle.

Finalmente , a partir das necessidadeslevantadas, foi feita uma proposta de projeto econstrução de um sistema robótico autônomo quedeve funcionar acoplado ao equipamento deextração e transportá-lo da superfície até os pontosde conexão no fundo do mar, diminuindo os custos eo tempo de manobra nas operações de extração depetróleo em águas profundas.

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