Numerical methodology for estimating the maneuverability of underwater autonomous vehicles.

O uso de modelos de manobras representa um auxilio importante no projeto de veículos marinhos, permitindo a verificação do desempenho destes veículos, desenvolver o sistema de piloto automático, dentre outras aplicações durante a fase de projeto. Na área de veículos submarinos, seus modelos são tradicionalmente baseados em equações de movimento que incluem expressões polinomiais para representar os esforços hidrodinâmicos. Estes modelos são derivados de uma expansão em série de Taylor de forças e momentos, sendo representados em função das variáveis de movimento. Entretanto, estes modelos limitam a representatividade dos esforços hidrodinâmicos, e, especialmente para os termos de segunda ou mais altas ordens, eles requerem ensaios custosos em tanque de provas para identificar corretamente cada um dos coeficientes polinomiais. Esta dependência em ensaios de tanque de provas tem um impacto critico, ou até mesmo não realístico, durante o desenvolvimento de veículos autônomos submarinos, AUVs, de baixo ou médio custo. Utilizando métodos atuais da fluidodinâmica computacional (CFD), este trabalho propõe um roteiro alternativo para definir os modelos de manobras não lineares para uma classe de AUVs. As simulações de CFD, verificados e validados por normas rigorosas, são utilizados como base para derivar as funções não lineares que representam os esforços hidrodinâmicos, devido variações na velocidade lateral, velocidade angular e deflexão dos lemes. A abordagem numérica é complementada pelo uso de modelos analíticos e semi-empíricos oriundos da indústria de mísseis, que tiveram que ser melhorados com informações retiradas das simulações de CFD. Ajustes adicionais e derivações nos intervalos de confiança para as estimativas produzidas por métodos numéricos também são fornecidos pelo uso de modelos analíticos e semi-empíricos. Adotando o AUV Pirajuba como caso de estudo, a validação dos modelos de manobra foi realizada em duas etapas. Primeiro, são comparadas as estimativas dos esforços hidrodinâmicos com as medições em tanque de provas de um modelo cativo, e em seguida a resposta dinâmica dos modelos de manobras são comparadas com aquelas obtidas por ensaios em mar, sempre utilizando critérios de verificação e validação. Este tipo de análise indicou uma validação dos esforços hidrodinâmicos e do movimento para grande parte dos ensaios, sendo que nos demais casos o AUV teve seu comportamento dinâmico bem reproduzido. Este resultado demonstra que a metodologia proposta pode ser utilizada para estimar o modelo de manobra de um AUV típico, gerando uma solução de menor custo para a fase de desenvolvimento destes veículos.The use of maneuvering models represents an important assistance in the project of marine vessels, allowing for the evaluation of the vehicle performance, the autopilot system development, among other tasks during the design phase. In the field of underwater vehicles, those models commonly are based on equations of motion that include polynomial expressions for representing the hydrodynamic efforts. They are derived from Taylor series expansion of forces and moments represented as functions of the motion variables. However, those models limit the representativeness of the hydrodynamic efforts, and, especially for the second order or higher terms, they require expensive trials in towing tank facilities to correctly identify each polynomic coefficient. This dependence on intensive tank tests has a critical impact, or is even unrealistic during the development of middle or low cost autonomous underwater vehicles, AUVs. Using current methods of computational fluid dynamics (CFD), this work proposes an alternative roadmap to construct nonlinear manoeuvring models, which can be applied to a class of AUVs. CFD simulations, verified and validated by rigorous standards, are used as basis to derive nonlinear functions that represent the hydrodynamic efforts due to variations in lateral velocity, angular rate and rudder deflection. The numerical approach is complemented by the use of analytical and semi-empirical models derived from missile industry, which have been improved according to the information taken from the CFD simulations. Further adjustments and derivation of confidence intervals to the estimates produced by the numerical method are also provided by the use of analytical and semi-empirical models. Adopting the Pirajuba AUV as a test bed, the manoeuvring model validation was carried out in two stages. Firstly, estimates of hydrodynamic efforts are compared with measurements obtained from experiments using a captive model in a towing tank. In the second step, the dynamic response predicted by the maneuvering model was compared with the output measured during free model trials. This type of analysis validated the hydrodynamic efforts and motion in most of the experiments, whereas for the remaining cases the AUV had its dynamic behavior well reproduced. This result demonstrates that the proposed methodology can be used to estimate the maneuvering model of a typical type AUV, generating a lower cost solution for the development phase of the vehicle