Browsing by Author "Figueiredo, Alexandre Miguel Calejo de"
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- Sistema ciberfísico para controlo autónomo de embarcações unmanned surface vehiclePublication . Figueiredo, Alexandre Miguel Calejo de; Gonçalves, Carlos Jorge de Sousa; Teodoro, Pedro Daniel DinisEste Trabalho Final de Mestrado (TFM) descreve o desenvolvimento de um sistema ciberfísico para controlo autónomo de embarcações do tipo Unmanned Surface Vehicle (USV). O sistema foi concebido de forma modular, expansível e orientado para a integração de múltiplos motores, sensores e interfaces de comunicação, assegurando robustez, baixo custo e adaptabilidade a diferentes cenários operacionais. Todo o código desenvolvido encontra-se disponível em repositório open source, promovendo transparência, colaboração e reutilização científica. A arquitetura proposta baseia-se na utilização de um microcontrolador Espressif32 (ESP32) com suporte nativo a Inter-Integrated Circuit (I2C), Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) e Long Range (LoRa), para controlo dos diferentes módulos, incluindo sensores e atuadores. Entre os principais módulos incluem-se: i) propulsores brushless controlados por Electronic Speed Controller (ESC), capazes de fornecer empuxo bidirecional; ii) um Inertial Measurement Unit (IMU), que fornece medições de guinada (yaw), arfagem (pitch) e rotação (roll) para garantir a estabilidade e a correçcão de trajetória; iii) um recetor Global Positioning System (GPS), responsável pela navegação precisa através de coordenadas geoespaciais; e iv) um módulo de comunicação Long Range (LoRa), que assegura telemetria de longo alcance e receção de rotas em tempo real com baixo consumo energético. Do ponto de vista de software, a solução foi estruturada em módulos independentes que encapsulam funções de propulsão, sensorização, comunicação e controlo. Esta abordagem promove a reutilização de código, facilita a manutenção e garante a escalabilidade do sistema. A comunicação foi otimizada através do uso de Protocol Buffers (Protobuf), reduzindo significativamente o tempo de transmissão (Time on Air (ToA)) em mensagens Long Range (LoRa), o que contribui para maior eficiência energética, menor probabilidade de colisões e aumento do alcance efetivo. A validação experimental incluiu testes incrementais de hardware e software, desde o controlo isolado de propulsores até à integração de todos os módulos num protótipo funcional. Os resultados práticos, obtidos em ambiente real no Naval-Robotics Exercise 2025 (Naval-REX25), demonstraram a capacidade do sistema em seguir rotas definidas por waypoints Global Positioning System (GPS), armazenar dados de telemetria e operar em modo manual ou automático. Este processo de validação operacional, em colaboração com a Marinha Portuguesa, reforça a aplicabilidade do sistema em cenários próximos de missão real. Conclui-se que o sistema desenvolvido constitui uma base sólida para futuras evoluções em Unmanned Surface Vehicle (USV), nomeadamente a aplica¸c˜ao de controladores avan¸cados (Proportional-Integral-Derivative (PID) ou Linear Quadratic Regulator (LQR)), a integração em plataformas marítimas de maior escala, e a utilização em cenários reais de monitorização ambiental, investigação científica e operações costeiras. Perspetiva-se ainda a exploração de técnicas de inteligência artificial e aprendizagem automática para otimização da navegação e da tomada de decisão em tempo real. O contexto português, em particular a sua vasta Zona Económica Exclusiva (ZEE), constitui um campo de aplicação natural para este tipo de soluções, contribuindo para o desenvolvimento científico e tecnológico nacional.