Dynamic positioning systems: An experimental analysis of sliding mode control

Vessel dynamic positioning (DP) systems are based on conventional PID-type controllers and an extended Kalman filter. However, they present a difficult tuning procedure, and the closed-loop performance varies with environmental or loading conditions since the dynamics of the vessel are eminently nonlinear. Gain scheduling is normally used to address the nonlinearity of the system. To overcome these problems, a sliding mode control was evaluated. This controller is robust to variations in environmental and loading conditions, it maintains performance and stability for a large range of conditions, and presents an easy tuning methodology. The performance of the controller was evaluated numerically and experimentally in order to address its effectiveness. The results are compared with those obtained from conventional PID controller. (c) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Numerical simulation for dynamic positioning in pack ice

This thesis investigates the numerical modelling of Dynamic Position (DP) in pack ice. A two-dimensional numerical model for ship-ice interaction was developed using the Discrete Element Method (DEM). A viscous-elastic ice rheology was adopted to model the dynamic behaviour of the ice floes. Both the ship-ice and the ice-ice contacts were considered in the interaction force. The environment forces and the hydrodynamic forces were calculated by empirical formulas. After the current position and external forces were calculated, a Proportional-Integral-Derivative (PID) control and thrust allocation algorithms were applied on the vessel to control its motion and heading. The numerical model was coded in Fortran 90 and validated by comparing computation results to published data. Validation work was first carried out for the ship-ice interaction calculation, and former researchers’ simulation and model test results were used for the comparison. With confidence in the interaction model, case studies were conducted to predict the DP capability of a sample Arctic DP vessel.

Comportamento motor do tronco e membro superior, num sistema de posicionamento rígido e dinâmico, durante atividade

A funcionalidade dos indivíduos com Paralisia Cerebral está muitas vezes comprometida devido às alterações do movimento e do controlo postural. Dadas estas alterações, a posição de sentado oferece uma maior estabilidade sendo muitas das atividades de vida diária desempenhadas nesta posição. O objetivo mais importante de intervenção é obter o máximo de funcionalidade na posição de sentado, particularmente do membro superior. Este objectivo, na maioria das vezes, só pode ser atingido com o uso de sistemas de posicionamento que tentam colmatar as alterações posturais e do movimento. Assim, o objetivo deste estudo de caso é verificar se existem diferenças no comportamento motor do tronco e do membro superior, com um sistema de posicionamento rígido e com um sistema de posicionamento dinâmico, numa jovem com Paralisia Cerebral, aquando da ativação manual de um switch. Foi realizado um estudo de caso único em que foi feita uma análise cinemática do movimento do tronco e membro superior na ativação de um switch BigMack, em três posições de teste com distâncias diferentes. Simultaneamente mediu-se a distribuição do peso durante o movimento, através do mapa de pressão e foi registada, bilateralmente a atividade dos músculos trapézio (porção média), longuíssimo, recto abdominal e oblíquo externo. Os resultados obtidos apontam, neste caso em particular, para uma melhoria na qualidade do movimento e da distribuição de peso, com o sistema de posicionamento dinâmico, sem diferenças entre os dois sistemas relativamente à ativação muscular.

Dieselsähköisen laivan pyörimisnopeussäädettyjen voimansiirtokonseptien mallinnus ja vertailu

Tässä työssä tutkitaan eri voimansiirtokonseptien vaikutusta referenssitapauksen polttomoottorivoimalaitoksen energiatehokkuuteen ja polttoaineenkulutukseen staattisessa tilan-teessa. Referenssitapaukseksi on valittu ulkomerellä toimiva huoltoalus. Työssä esitellään dieselsähköisen laivan voimansiirtokonseptien toteutusvaihtoehtoja ja luodaan katsaus valittuihin generaattoreihin sekä taajuusmuuttajiin. Voimansiirtokonseptien hankintahintaa arvioidaan saatujen hintatietojen ja aikaisempien tutkimusten avulla. Lisäksi konseptien energian- ja polttoaineenkulutusta arvioidaan vuositasolla staattisessa tilanteessa. Perinteiselle kiinteän pyörimisnopeuden toteutukselle löydettiin haastajia sekä konseptien kuluttaman energian, että polttoaineen kannalta tarkasteltuna. Lisäksi työssä muodostetaan referenssialusta vastaava yksinkertainen simulointimalli, jolla voidaan arvioida voimalaitoksen tehohäviöitä sekä polttoaineenkulutusta eri ajotavoilla. Simulointimallilla tutkitaan myös energiavaraston tuomia etuja lisäämällä energiavarasto malliin. Mallia simuloitiin paikoitusajossa ilman energiavarastoa, sekä sen kanssa. Energiavaraston avulla saavutettiin merkittävät polttoainesäästöt.

Experimental validation of a 3-D vision-based measurement system applied to robot calibration

One of the problems that slows the development of off-line programming is the low static and dynamic positioning accuracy of robots. Robot calibration improves the positioning accuracy and can also be used as a diagnostic tool in robot production and maintenance. A large number of robot measurement systems are now available commercially. Yet, there is a dearth of systems that are portable, accurate and low cost. In this work a measurement system that can fill this gap in local calibration is presented. The measurement system consists of a single CCD camera mounted on the robot tool flange with a wide angle lens, and uses space resection models to measure the end-effector pose relative to a world coordinate system, considering radial distortions. Scale factors and image center are obtained with innovative techniques, making use of a multiview approach. The target plate consists of a grid of white dots impressed on a black photographic paper, and mounted on the sides of a 90-degree angle plate. Results show that the achieved average accuracy varies from 0.2mm to 0.4mm, at distances from the target from 600mm to 1000mm respectively, with different camera orientations.

Contribució al posicionament dinàmic de robots mòbils per mitjà d'un sistema làser

Aquesta tesi tracta el problema del posicionament de robots mòbils quan, en el decurs del moviment, es realitzen mesures angulars relatives al robot de l'orientació de la recta entre un dels seus punts i punts de l'entorn de posició coneguda. Es considera que les mesures angulars són fetes per un sensor làser giratori que detecta diferents reflectors catadiòptrics fixos. La contribució principal és el desenvolupament d'un algorisme dinàmic, basat en un filtre de Kalman estès (EKF), que estima a cada instant de temps l'estat format pels angles associats als reflectors. La simulació hodomètrica dels angles entre mesures directes del sensor làser garanteix l'ús consistent i continuat dels mètodes de triangulació per a determinar la posició i l'orientació del robot. Inclou simulacions informàtiques i experiments per a validar la precisió del mètode de posicionament proposat. En l'experimentació s'utilitza un robot mòbil omnidireccional amb tres rodes de lliscament direccional de corrons esfèrics.

Controle cooperativo aplicado a sistemas de posicionamento dinâmico.

Hoje em dia com o crescente aumento da exploração de petróleo e gás em águas profundas, há um aumento na demanda por operações offshore envolvendo a cooperação entre unidades flutuantes. Tais operações requerem um alto nível de planejamento e coordenação, o que na maioria dos casos é feito com a troca de informação no nível de operação, com cada unidade flutuante comandada independentemente. Exemplos de operações deste tipo vão desde operações de alívio passando por operações de instalação de equipamento submarino, até operações de pesquisa envolvendo múltiplas unidades flutuantes dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (DP). As vantagens do controle cooperativo surgem com a redução do erro da distância relativa durante a manutenção do posicionamento ou durante a execução de manobras de posicionamento conjuntas. No presente trabalho, os conceitos de controle de consenso são aplicados de forma combinada com o sistema DP de cada navio. A influência dos ganhos do controlador cooperativo no sistema como um todo será discutida, utilizando-se técnicas de análise da resposta em frequência. Simulações completas no domínio do tempo e experimentos usando modelos em escala serão utilizados para se demonstrar o funcionamento do controle cooperativo. Todas as simulações serão conduzidas no simulador Dynasim e os ensaios experimentais no tanque de provas da Engenharia Naval da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Além disso, serão feitas comparações entre os experimentos em tanque de provas e simulações numéricas equivalentes, demonstrando-se a validade dos ensaios numéricos. Será também demonstrado que os requisitos de projetos adotados são atendidos pelos ensaios em tanque de provas. .

Controlador integrado baseado em conceito híbrido e controle geométrico para embarcações posicionadas dinamicamente.

O conceito de controle híbrido é aplicado à operação de alívio entre um FPWSO e um navio aliviador. Ambos os navios mantêm suas posições e aproamentos pelo resultado da ação do seu Sistema de Posicionamento Dinâmico (SPD). O alívio dura cerca de 24 horas para ser concluído. Durante este período, o estado de mar pode se alterar e os calados estão sendo constantemente alterados. Um controlador híbrido é projetado para permitir modificacões dos parâmetros de controle/observação se alguma alteração significante do estado de mar e/ou calado das embarcações ocorrer. O principal objetivo dos controladores é manter o posicionamento relativo entre os navios com o intuito de evitar perigosa proximidade ou excesso de tensão no cabo. Com isto em mente, uma nova estratégia de controle que atue integradamente em ambos os navios é proposta baseda em geometria diferencial. Observadores não lineares baseados em passividade são aplicados para estimar a posição, a velocidade e as forças externas de mares calmos até extremos. O critério para troca do controle/observação é baseado na variação do calado e no estado de mar. O calado é assumido conhecido e o estado de mar é estimado pela frequência de pico do espectro do movimento de primeira ordem dos navios. Um modelo de perturbação é proposto para encontrar o número de controladores do sistema híbrido. A equivalência entre o controle geométrico e o controlador baseado em Multiplicadores de Lagrange é demonstrada. Assumindo algumas hipóteses, a equivalência entre os controladores geométrico e o PD é também apresentada. O desempenho da nova estratégia é avaliada por meio de simulações numéricas e comparada a um controlador PD. Os resultados apresentam muito bom desempenho em função do objetivo proposto. A comparação entre a abordagem geométrica e o controlador PD aponta um desempenho muito parecido entre eles.

Diseño optimizado de alimentación de servicios auxiliares de un parque eólico off-shore en aguas profundas

[ES]La energía eólica marina supone respecto a la energía eólica en tierra una mayor generación de energía, debido a condiciones menos turbulentas del viento y más constantes que permiten mayores diámetros de palas y por tanto mayor generación de energía. En este trabajo se estudia la eficiencia energética en los sistemas auxiliares de una plataforma offshore con aerogenerador para obtención de energía eólica, y se aplican medidas de ahorro y racionalización energética. El ahorro de energía hará más viable la instalación de un sistema de posicionamiento dinámico en las plataformas, en el trabajo se estudia esta posibilidad, de manera que se asegure un mejor recurso, y la posibilidad de instalación sin restricciones legislativas y de profundidades excesivas.

A method for better positioning bipolar electrodes for lower limb EMG recordings during dynamic contractions

To obtain a high quality EMG acquisition, the signal must be recorded as far away as possible from muscle innervations and tendon zones, which are known to shift during dynamic contractions. This study describes a methodology, using commercial bipolar electrodes, to identify better electrode positions for superficial EMG of lower limb muscles during dynamic contractions. Eight female volunteers participated in this study. Myoelectric signals of the vastus lateralis, gastrocnemius medialis, peroneus longus and tibialis anterior muscles were acquired during maximum isometric contractions using bipolar electrodes. The electrode positions of each muscle were selected assessing SENIAM and then, other positions were located along the length of muscle up and down the SENIAM site. The raw signal (density), the linear envelopes, the RMS value, the motor point site, the position of the IZ and its shift during dynamic contractions were taken into account to select and compare electrode positions. For vastus lateralis and peroneus longus, the best sites were 66% and 25% of muscle length, respectively (similar to SENIAM location). The position of the tibialis anterior electrodes presented the best signal at 47.5% of its length (different from SENIAM location). The position of the gastrocnemius medialis electrodes was at 38% of its length and SENIAM does not specify a precise location for signal acquisition. The proposed method should be considered as another methodological step in every EMG study to guarantee the quality of the signal and subsequent human movement interpretations. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Spatially dynamic expression of Sry in mouse genital ridges

We have studied the spatial dynamics of Sry transcription in the genital ridges of mouse embryos. We find that Sry is expressed in a dynamic wave that emanates from the central and/or anterior regions, extends subsequently to both poles, and ends in the caudal pole. This dynamism may explain the relative positioning of ovarian and testicular tissue seen in ovotestes in mice. Since direct regulatory targets of SRY ought to be expressed in a corresponding or complimentary wave, our observations pave the way for identification of target genes. Sry is expressed in internal cells but not in coelomic surface epithelial cells, indicating that its effect on proliferation of surface cells is achieved non-cell-autonomously. The cellular dynamism of Sry expression revealed in this study thus provides important insights into both the cellular and molecular mode of action of SRY, and how perturbations in Sry expression can lead to anomalies of sexual development. (C) 2001 Wiley-Liss, Inc.

Combined simulation and mutagenesis analyses reveal the involvement of key residues for peroxisome proliferator-activated receptor alpha helix 12 dynamic behavior.

The dynamic properties of helix 12 in the ligand binding domain of nuclear receptors are a major determinant of AF-2 domain activity. We investigated the molecular and structural basis of helix 12 mobility, as well as the involvement of individual residues with regard to peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARalpha) constitutive and ligand-dependent transcriptional activity. Functional assays of the activity of PPARalpha helix 12 mutants were combined with free energy molecular dynamics simulations. The agreement between the results from these approaches allows us to make robust claims concerning the mechanisms that govern helix 12 functions. Our data support a model in which PPARalpha helix 12 transiently adopts a relatively stable active conformation even in the absence of a ligand. This conformation provides the interface for the recruitment of a coactivator and results in constitutive activity. The receptor agonists stabilize this conformation and increase PPARalpha transcription activation potential. Finally, we disclose important functions of residues in PPARalpha AF-2, which determine the positioning of helix 12 in the active conformation in the absence of a ligand. Substitution of these residues suppresses PPARalpha constitutive activity, without changing PPARalpha ligand-dependent activation potential.

Structural determinants for membrane association and dynamic organization of the hepatitis C virus NS3-4A complex.

Hepatitis C virus (HCV) NS3-4A is a membrane-associated multifunctional protein harboring serine protease and RNA helicase activities. It is an essential component of the HCV replication complex and a prime target for antiviral intervention. Here, we show that membrane association and structural organization of HCV NS3-4A are ensured in a cooperative manner by two membrane-binding determinants. We demonstrate that the N-terminal 21 amino acids of NS4A form a transmembrane alpha-helix that may be involved in intramembrane protein-protein interactions important for the assembly of a functional replication complex. In addition, we demonstrate that amphipathic helix alpha(0), formed by NS3 residues 12-23, serves as a second essential determinant for membrane association of NS3-4A, allowing proper positioning of the serine protease active site on the membrane. These results allowed us to propose a dynamic model for the membrane association, processing, and structural organization of NS3-4A on the membrane. This model has implications for the functional architecture of the HCV replication complex, proteolytic targeting of host factors, and drug design.

A Design Methodology for the Compensation of Positioning Deviation in Gantry Manipulators

This work presents recent results concerning a design methodology used to estimate the positioning deviation for a gantry (Cartesian) manipulator, related mainly to structural elastic deformation of components during operational conditions. The case-study manipulator is classified as gantry type and its basic dimensions are 1,53m x 0,97m x 1,38m. The dimensions used for the calculation of effective workspace due to end-effector path displacement are: 1m x 0,5m x 0,5m. The manipulator is composed by four basic modules defined as module X, module Y, module Z and terminal arm, where is connected the end-effector. Each module controlled axis performs a linear-parabolic positioning movement. The planning path algorithm has the maximum velocity and the total distance as input parameters for a given task. The acceleration and deceleration times are the same. Denavit-Hartemberg parameterization method is used in the manipulator kinematics model. The gantry manipulator can be modeled as four rigid bodies with three degrees-of-freedom in translational movements, connected as an open kinematics chain. Dynamic analysis were performed considering inertial parameters specification such as component mass, inertia and center of gravity position of each module. These parameters are essential for a correct manipulator dynamic modelling, due to multiple possibilities of motion and manipulation of objects with different masses. The dynamic analysis consists of a mathematical modelling of the static and dynamic interactions among the modules. The computation of the structural deformations uses the finite element method (FEM).

A high dynamic range method for the direct readout of a dynamic phase change in homodyne interferometers

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)