Towards Active Course Marks for Autonomous Sailing Competitions

This paper describes the environmental monitoring / regatta beacon buoy under development at the Laboratory of Autonomous Systems (LSA) of the Polytechnic Institute of Porto. On the one hand, environmentalmonitoring of open water bodies in real or deferred time is essential to assess and make sensible decisions and, on the other hand, the broadcast in real time of position, water and wind related parameters allows autonomous boats to optimise their regatta performance. This proposal, rather than restraining the boats autonomy, fosters the development of intelligent behaviour by allowing the boats to focus on regatta strategy and tactics. The Nautical and Telemetric Application (NAUTA) buoy is a dual mode reconfigurable system that includes communications, control, data logging, sensing, storage and power subsystems. In environmental monitoring mode, the buoy gathers and stores data from several underwater and above water sensors and, in regatta mode, the buoy becomes an active course mark for the autonomous sailing boats in the vicinity. During a race, the buoy broadcasts its position, together with the wind and the water current local conditions, allowing autonomous boats to navigate towards and round the mark successfully. This project started with the specification of the requirements of the dual mode operation, followed by the design and building of the buoy structure. The research is currently focussed on the development of the modular, reconfigurable, open source-based control system. The NAUTA buoy is innovative, extensible and optimises the on board platform resources.

Environmental/Regatta Buoy: Telemetry and Configuration

A monitorização ambiental é essencial para a tomada de decisões tanto na ciência como na indústria. Em particular, uma vez que a água é essencial à vida e a superfície da Terra é composta principalmente por água, a monitorização do clima e dos parâmetros relacionados com a água em ecossistemas sensíveis, tais como oceanos, lagoas, rios e lagos, é de extrema importância. Um dos métodos mais comuns para monitorar a água é implantar bóias. O presente trabalho está integrado num projeto mais amplo, com o objetivo de projectar e desenvolver uma bóia autónoma para a investigação científica com dois modos de funcionamento: (i) monitorização ambiental ; e (ii) baliza ativa de regata. Assim, a bóia tem duas aplicações principais: a coleta e armazenamento de dados e a assistência a regatas de veleiros autónomos. O projeto arrancou há dois anos com um grupo de quatro estudantes internacionais. Eles projetaram e construíram a estrutura física, compraram e montaram o sistema de ancoragem da bóia e escolherem a maioria dos componentes electrónicos para o sistema geral de controlo e medição. Este ano, durante o primeiro semestre, dois estudantes belgas - Jeroen Vervenne e Hendrick Verschelde – trabalharam nos subsistemas de recolha e armazenamento de dados (unidade de controlo escrava) e de telemetria e configuração (unidade de controlo mestre) assim como definiram o protocolo de comunicação da aplicação. O trabalho desta tese continua o desenvolvimento do subsistema de telemetria e configuração. Este subsistema _e responsável pela configuração do modo de funcionamento e dos sensores assim como pela comunicação com a estacão de base (controlo ambiental), barcos (baliza ativa de regata) e com o subsistema de recolha e armazenamento de dados. O desenvolvimento do subsistema de recolha e armazenamento de dados, que coleta e armazena num cartão SD os dados dos sensores selecionados, prossegue com outro estudante belga - Mathias van Flieberge. O objetivo desta tese é, por um lado, implementar o subsistema de telemetria e de configuração na unidade de controle mestre e, por outro lado, refinar e implementar, conjuntamente com Mathias van Flieberge, o protocolo de nível de aplicação projetado. Em particular, a unidade de controlo mestre deve processar e atribuir prioridades às mensagens recebidas da estacão base, solicitar dados à unidade de controlo escrava e difundir mensagens com informação de posição e condições de vento e água no modo de regata. Enquanto que a comunicação entre a unidade de controlo mestre e a estacão base e a unidade de controlo mestre e os barcos é sem fios, a unidade de controlo mestre e a unidade de controlo escrava comunicam através de uma ligação série. A bóia tem atualmente duas limitações: (i) a carga máxima é de 40 kg; e (ii) apenas pode ser utilizada em rios ou próximo da costa dada à limitação de distância imposta pela técnica de comunicação sem fios escolhida.

Comunicações marítimas wi-fi usando a banda 5.8 ghz

Tendo em conta a popularidade que as comunicações Wi-Fi têm na atualidade em vários dispositivos como computadores portáteis, telemóveis ou tablets, sendo estes utilizados praticamente por qualquer pessoa, surgiu a ideia de utilizar esta tecnologia de baixo custo e isenta de licenciamento num cenário de comunicações marítimas. Neste contexto, esta permite fornecer o acesso à Internet em banda larga a grupos de embarcações, que atualmente recorrem a tecnologias de elevado custo (satélite) e/ou de banda estreita (rádios VHF). Com o acesso em banda larga, os proprietários poderão utilizar aplicações informáticas de interesse à atividade de negócio ou de lazer, até então só disponíveis junto à costa onde existe cobertura celular. Nesta tese pretende-se fazer um estudo teórico e prático sobre o alcance e respetivo desempenho de comunicações de banda larga em ambiente marítimo, utilizando parte da gama de frequências dos 5,8 GHz, isenta de licença, e a norma IEEE 802.11n. Para se utilizar equipamento produzido em massa a operar nessa gama, existem duas normas disponíveis, a IEEE 802.11a e a IEEE 802.11n. Optou-se pelo IEEE 802.11n pois os esquemas de codificação ao nível físico permitem débitos mais elevados e MIMO. Para a realização dos testes experimentais, foi necessário elaborar um protótipo de comunicação ponto a ponto, constituído por dois nós de comunicação. Um deles foi instalado numa embarcação de pesca em colaboração com a Associação Propeixe e o outro no Edifício Transparente, no Porto, em colaboração com a entidade gestora do edifício e a Associação Porto Digital. Tanto quanto se conhece é o primeiro teste de comunicações Wi-Fi realizado nestas condições a nível mundial. Os objetivos do trabalho foram atingidos. Foi possível estabelecer comunicações Wi-Fi na banda dos 5,8 GHz até cerca de 7 km com débito médio mínimo de 1 Mbit/s. O ambiente de testes desenvolvido e os resultados obtidos servirão de base para futuros trabalhos de investigação na área das comunicações marítimas.

Swordfish: an Autonomous Surface Vehicle for Network Centric Operations

The design and development of the swordfish autonomous surface vehicle (ASV) system is discussed. Swordfish is an ocean capable 4.5 m long catamaran designed for network centric operations (with ocean and air going vehicles and human operators). In the basic configuration, Swordfish is both a survey vehicle and a communications node with gateways for broadband, Wi-Fi and GSM transports and underwater acoustic modems. In another configuration, Swordfish mounts a docking station for the autonomous underwater vehicle Isurus from Porto University. Swordfish has an advanced control architecture for multi-vehicle operations with mixed initiative interactions (human operators are allowed to interact with the control loops).