BR112018073537B1 - Dispositivo para controlar o movimento de uma das extremidades de um braço de carregamento de fluido articulado, dispositivo de aquisição e cálculo de dados, método de cálculo para o dispositivo de cálculo e aquisição de dados e braço de carregamento articulado - Google Patents

Abstract

Dispositivo para controlar o movimento de uma das extremidades de um braço de carregamento de fluido articulado de uma posição de armazenamento para um tubo alvo (35) e deste tubo alvo (35) para a posição de armazenamento, compreendendo esse braço uma linha de transferência de fluido equipada nesta extremidade com um sistema de acoplamento (26), o último sendo adaptado para ser acoplado ao tubo alvo (35) para a transferência do fluido, dispositivo esse que compreende atuadores (27-29) para controlar o movimento do braço no espaço a partir do posição de armazenamento até que o sistema de acoplamento (26) esteja posicionado em frente ao tubo alvo (35) para o seu acoplamento a este último e do tubo alvo (35) para a posição de armazenamento. Este dispositivo inclui meios de cálculo (41) adaptados para: - monitorar em tempo real o movimento do sistema de acoplamento (26); - gerar, em tempo real, a partir da última posição determinada do sistema de acoplamento (26) uma trajetória de movimento do sistema de acoplamento (26) na direção do tubo alvo (35) ou a posição de armazenamento, com base em uma lei da dinâmica de movimento limitado por sobre-aceleração ; - calcular as instruções de comando a serem dadas a cada um dos atuadores (27-29) para controlar o movimento do sistema de acoplamento (26) com (...).

Description

[0001] A presente invenção refere-se geralmente a braços de carregamento articulados para transferir um fluido de um local para outro (carga e/ou descarga).

[0002] Fluido é entendido como significando um produto líquido ou gasoso. Refere-se mais particularmente ao gás natural liquefeito, ao gás natural de baixa e alta pressão e ao petróleo ou produtos químicos transferidos entre um navio e um estaleiro ou entre dois navios.

[0003] Mais particularmente, a presente invenção refere-se a dispositivos para controlar o movimento, posicionamento e acoplamento (o termo "conexão" também é usado) de tais braços de carregamento para um tubo alvo ou sua desconexão do último.

[0004] Geralmente, esse braço compreende um sistema de tubulação articulada, montado em um suporte e conectado a um sistema de tubulação de abastecimento de fluido, e sobre o qual um primeiro tubo, chamado de tubo interno, é montado através de uma seção de cotovelo de tubulação de 90° permitindo uma rotação em um eixo vertical em uma de suas extremidades e em um eixo horizontal na outra extremidade. Na extremidade oposta do tubo interno, um segundo tubo, chamado de tubo externo, é montado rotativamente em um eixo horizontal. Um conjunto de acoplamento é montado na extremidade do tubo externo.

[0005] O conjunto de acoplamento tem assim pelo menos 3 graus de liberdade no espaço em relação ao suporte, e os movimentos em cada um destes graus de liberdade são controlados por atuadores hidráulicos, elétricos ou pneumáticos, tais como macacos ou motores.

[0006] O controle de movimento é obtido por meio de uma interface de comando controlada por um operador ou de forma totalmente automática.

[0007] Tais braços são conhecidos, por exemplo, dos pedidos de patente FR2813872, FR2854156, FR2931451, FR2964093 e FR3003855.

[0008] O objeto da presente invenção é propor um braço de transferência do mesmo tipo, mas com um desempenho melhorado em termos dos processos de conexão e desconexão, particularmente no contexto de uma transferência de fluido em mar aberto, o que tem sido sempre difícil devido a movimentos relativos das estruturas flutuantes entre as quais a transferência deve ocorrer.

[0009] Outro objetivo da invenção é fazê-lo sem os sistemas de acoplamento físico e orientação conhecida, por exemplo, dos documentos FR2813872 e FR2854156.

[0010] Um outro objetivo da invenção é produzir um braço de transferência articulado com uma interface humana limitada ou inexistente, tornando assim possível realizar uma conexão ou desconexão automática ou semi-assistida deste braço.

[0011] A presente invenção propõe para este fim um dispositivo para controlar o movimento de uma das extremidades de um braço de carregamento de fluido articulado de uma posição de armazenamento para um tubo alvo e deste tubo alvo para a posição de armazenamento, compreendendo esse braço uma linha de transferência de fluido equipada nesta extremidade com um sistema de acoplamento, o último sendo adaptado para ser acoplado ao tubo alvo para a transferência do fluido, dispositivo esse que compreende atuadores para controlar o movimento do braço no espaço desde a posição de armazenamento até o sistema de acoplamento ser posicionado em frente do tubo alvo para o seu acoplamento ao último, e do tubo alvo para a posição de armazenamento, e este dispositivo sendo caracterizado por incluir meios de cálculo adaptados para: - monitorar em tempo real o movimento do sistema de acoplamento; - gerar, em tempo real, a partir da última posição determinada do sistema de acoplamento, uma trajetória de movimento do sistema de acoplamento na direção do tubo alvo ou da posição de armazenamento, com base em uma lei da dinâmica de movimento limitado por sobre-aceleração; - calcular as instruções de comando a serem dadas a cada um dos atuadores, a fim de controlar o movimento do sistema de acoplamento com base nesta lei de movimento.

[0012] Como resultado desses recursos, é possível realizar um processo de conexão e desconexão que possibilita reduzir ao mínimo ou até mesmo evitar a produção de vibrações ou oscilações no braço durante seu movimento na direção do tubo alvo, e também provê outras vantagens, como será visto em maior detalhe abaixo.

[0013] De acordo com outras características da presente invenção que podem ser implementadas de forma independente ou em combinação, particularmente devido sua facilidade de produção e uso: - a etapa para monitoramento em tempo real do movimento do sistema de acoplamento envolve um monitoramento em tempo real, durante pelo menos parte do movimento, da posição relativa do sistema de acoplamento em relação ao tubo alvo, sendo a trajetória gerada a partir da última posição relativa determinada; - a etapa para a monitoração em tempo real da posição relativa do sistema de acoplamento em relação ao tubo alvo também envolve um monitoramento em tempo real da orientação relativa do sistema de acoplamento em relação ao tubo alvo, a trajetória sendo gerada a partir da última posição relativa e orientação determinadas; - quando o tubo alvo é instalado em uma estrutura flutuante e o braço de carregamento é instalado em uma estrutura fixa ou flutuante, os meios de cálculo são vinculados a meios de medição para o monitoramento em tempo real dos movimentos absolutos ou relativos da estrutura flutuante ou estruturas em todos os 6 graus de liberdade simultaneamente; - os meios de medição são escolhidos do grupo que compreende unidades de inércia, GPS, GPS adaptado para realizar o monitoramento da posição relativa, câmeras, inclinômetros, acelerômetros, potenciômetros, sonares, rastreadores a laser, taqueômetros ou uma combinação dos mesmos; - os meios de cálculo compreendem funções de predição adaptadas para predizer (i) o progresso do movimento do sistema de acoplamento e/ou (ii) o comportamento do braço de carregamento articulado em relação ao comando de movimento limitado por sobre-aceleração que é aplicado a ele; e estão adaptados para ajustar a lei da dinâmica de movimento limitado por sobre- aceleração, de modo que ela leve em conta a predição; - o cálculo significa usar, para o monitoramento, um modelo cinemático do braço que compensa erros reais de dimensão, deformação e/ou posição; - o modelo cinemático do braço é obtido por um procedimento de calibração e um ajuste dos parâmetros de um modelo do braço de carregamento incorporando esses erros; - o ajuste é realizado por meio de algoritmos de otimização não-linear, ou pelo treinamento de uma rede neural, ou por qualquer outro método do mesmo tipo, utilizando medidas obtidas pelo procedimento de calibração; - os meios de cálculo estão adaptados para aplicar instruções de comando a cada um dos atuadores, de modo que o movimento induzido por cada um dos atuadores seja simultâneo e tenha a mesma duração; - os meios de cálculo são adaptados para aplicar instruções de comando para manter movimento limitado por sobre-aceleração nos vários modos de controle, isto é, automático ou manual pelo operador através de uma interface de comando, ou um modo semiautomático combinando os comandos manual e automático; - o dispositivo de controle também inclui meios de amortecimento de vibração ativos, adaptados para sobrepor um ponto de ajuste de vibração nas instruções de comando aplicadas aos atuadores; - os meios de cálculo também são adaptados para gerar a trajetória de modo a evitar colisões entre o braço e um elemento ou estrutura no entorno.

[0014] A presente invenção também se refere a um dispositivo de aquisição e cálculo de dados para um dispositivo de controle como definido acima, caracterizado por estar adaptado para: - monitorar em tempo real a posição relativa do elemento de conexão/desconexão em relação ao tubo alvo; - gerar, em tempo real, a partir da última posição relativa gerada, uma trajetória de movimento do elemento de conexão/desconexão na direção do tubo alvo, com base em uma lei da dinâmica de movimento limitado por sobre- aceleração; - calcular as instruções de comando dadas a cada um dos atuadores para controlar o movimento do elemento de conexão/desconexão na direção do tubo alvo com base nesta lei de movimento.

[0015] A invenção refere-se ainda a um método para transferência de fluido por meio de um braço como definido acima, compreendendo as etapas consistindo em: - monitorar em tempo real o movimento do sistema de acoplamento; - gerar, em tempo real, a partir da última posição determinada do sistema de acoplamento, uma trajetória de movimento do sistema de acoplamento na direção do tubo alvo ou da posição de armazenamento, com base em uma lei da dinâmica de movimento limitado por sobre-aceleração; - calcular as instruções de comando a serem dadas a cada um dos atuadores, a fim de controlar o movimento do sistema de acoplamento com base nesta lei de movimento.

[0016] Vantajosamente, o método também compreende as etapas consistindo em: - predizer (i) o progresso do movimento do sistema de acoplamento e/ou (ii) o comportamento do braço de carregamento articulado em relação ao comando de movimento que é aplicado a ele, e ajustar à lei da dinâmica de movimento limitado por sobre-aceleração de modo a levar em conta a predição.

[0017] Por fim, a invenção refere-se a um braço de carregamento articulado que compreende um dispositivo de controle como definido acima.

[0018] A divulgação da presente invenção será agora seguida pela descrição detalhada de formas de realização exemplificativas, apresentadas abaixo como uma ilustração não limitativa, em referência aos desenhos anexos.

[0019] Nestes desenhos: - A Figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva de um braço de carregamento equipado com um dispositivo de controle de acordo com o invento; e - A Figura 2 é um diagrama de blocos da operação do dispositivo de acordo com a Figura 1.

[0020] A Figura 1 ilustra, muito esquematicamente, um braço de carregamento (2) equipado com um dispositivo de controle (1) de acordo com o invento. O braço de carregamento articulado aqui é ilustrado de uma maneira muito simplificada e, em conformidade, é notado que o dispositivo de controle de acordo com o invento se adapta a qualquer sistema de braço de carregamento articulado, particularmente aos braços de carregamento marítimo dos pedidos de patente acima mencionados.

[0021] Em geral, esse tipo de braço de carregamento é intrinsecamente conhecido e não será descrito em detalhes aqui.

[0022] O braço de carregamento da Figura 1 é um braço de carregamento marítimo que tem uma base (21) ligada a uma linha de fornecimento de fluido que está localizada por baixo da superfície da estrutura (22) à qual a base está fixada. No presente caso, é uma estrutura flutuante, como um navio, mas, de acordo com uma variante, pode ser um estaleiro. Rotativamente articulado à extremidade superior da base está um cotovelo de tubulação (23), ao qual, por sua vez, é articulado um primeiro tubo, chamado de tubo interno (24), para cuja extremidade oposta é articulado um segundo tubo, chamado tubo externo (25). O fim do o tubo externo transporta um conjunto de acoplamento (26) que também permite a transferência de fluido, e cujo sistema de acoplamento (26’), também chamado de acoplador, é destinado a ser conectado a um tubo alvo (35), neste caso um manifold, disposto no presente exemplo em um navio (36), ilustrado muito esquematicamente. Na concretização ilustrada, de uma maneira intrinsecamente conhecida, o acoplador (26’) também tem três graus de liberdade em rotação em relação à extremidade do tubo externo (25). Esses três graus de rotação são livres, de modo que um operador pode ajustar livremente o ângulo do acoplador durante a fase de aproximação final para o acoplamento de um [sic] para o tubo, ou uma ou mais dessas rotações são controladas por atuadores e vinculadas a um controlador para um posicionamento total ou parcialmente automático e/ou a uma interface de comando para permitir que o operador controle as rotações diretamente durante a aproximação final do acoplador. Como descrito mais detalhadamente abaixo, duas das rotações (setas duplas D e E) neste caso são controladas, enquanto a terceira (seta dupla F) é livre.

[0023] De uma maneira intrinsecamente conhecida, o acoplador (26’) nesta concretização exemplificativa tem grampos de fixação (31) que são bloqueados por um atuador (30), ilustrados muito esquematicamente, de modo a manter o acoplador (26’) em torno do tubo alvo (35) uma vez que conectado.

[0024] Os conjuntos usados aqui são formados por conectores giratórios ou juntas e cotovelos, particularmente do tipo que compreende, por um lado, um conector giratório ou junta cujas duas extremidades são cada uma soldadas a um cotovelo e, por outro lado, a combinação de um primeiro conector giratório, seguido por um cotovelo, seguido por um segundo conector giratório formando um ângulo de 90° com o dito primeiro conector, seguido de um cotovelo. Outra montagem (como a que permite as rotações ao longo das setas duplas D, E, F na Figura 1) corresponde à segunda com a adição de um terceiro conector unido ao segundo por um cotovelo. As juntas giratórias desses conjuntos, neste caso, são todas criogênicas.

[0025] As seções de cotovelo de tubo de 90° descritas acima e utilizadas para ligar os tubos internos (24) e os tubos externos (25) um ao outro, o tubo interno (24) à base (21) e o conjunto de acoplamento (26) ao tubo externo (25) são também montagens deste tipo.

[0026] A seção tubular articulada (24), (25) é geralmente associada a sistemas de balanceamento de contrapeso (não mostrados aqui), que podem ou não estar associados a mecanismos do tipo de pantógrafo balanceado.

[0027] No final da linha de transferência equipada com o conjunto de acoplamento, um sistema de liberação de emergência (Emergency Release System - ERS) e um acoplador de conexão/desconexão rápida (Quick Connect/Disconnect Coupler - QCDC) podem ser providos.

[0028] Vamos agora descrever em maior detalhe, em referência às Figuras 1 e 2, a operação de tal braço equipado com o dispositivo de controle de acordo com a presente invenção.

[0029] Na invenção, como ilustrado esquematicamente nas Figuras 1 e 2, os acionadores (27), (28), (29) são providos para cada uma das três articulações do braço de carregamento (simbolizado pelas setas duplas A, B, C) para acionar, diretamente ou através de uma transmissão, o tubo interno e o tubo externo e gerar a rotação em torno de um eixo vertical. Mais precisamente, neste caso, um primeiro atuador (27) é provido entre a extremidade superior da base (21) e o cotovelo (23) do tubo, de modo a pivotar o último horizontalmente em relação à base, um segundo atuador (28) é provido entre a extremidade do cotovelo (23) do tubo e o tubo interno (24) de modo a pivotar o tubo interno verticalmente, e um terceiro atuador (29) é provido entre o tubo interno (24) e o tubo externo (25), de modo a pivotar o último verticalmente.

[0030] Os três atuadores (27), (28), (29) e os que acionam as juntas giratórias do conjunto (26) em torno das setas duplas (D, E, F), neste caso, são macacos hidráulicos, ilustrados muito esquematicamente na Figura 1. Em uma variante, não ilustrada, um ou mais dos macacos hidráulicos são substituídos por outros tipos de atuadores hidráulicos, pneumáticos ou elétricos, como motores, macacos ou qualquer outro tipo de atuador.

[0031] O tubo alvo (35) provido no navio (36), neste caso, está equipado com um invólucro (34) contendo um meios de medição que, na presente concretização exemplar, é uma unidade inercial associada a um GPS.

[0032] O mesmo é verdade para a base (21) (suporte do braço de carregamento), que neste caso tem um invólucro (33) contendo outra unidade inercial associada a um GPS.

[0033] Os meios de cálculo do dispositivo de controle são incorporados em um controlador (41) disposto numa caixa de controle elétrico (40).

[0034] Mais precisamente, o controlador é um controlador lógico programável (PLC). Ele é adaptado para processar os sinais recebidos dos meios de medição, usando algoritmos pré-programados. Numa variante, pode ser uma unidade de aquisição de dados e de cálculo do tipo de computador industrial e, mais geralmente, um dispositivo de aquisição e de cálculo de dados.

[0035] Uma unidade de potência hidráulica (42) é provida para fornecer aos atuadores a potência hidráulica necessária para sua operação. É controlado pelo controlador (41). Naturalmente, isso só é aplicável se os atuadores em questão forem hidráulicos.

[0036] Cada um dos conjuntos formados de unidades inerciais e GPS é provido respectivamente com um dispositivo de transmissão de rádio (33A) e (34A) para transmitir um sinal que compreende a informação de medição.

[0037] Numa variante, a unidade (33) pode ser ligada diretamente ao controlador (41).

[0038] O controlador (41) é conectado a um dispositivo de recepção (40A), que é um receptor de rádio adaptados para comunicar com os dispositivos de transmissão de rádio (33A) e (34A), respectivamente ligados aos invólucros (33) e (34) de cada um dos navios.

[0039] O dispositivo de controle, neste caso, também inclui uma interface de comando (60) para um operador.

[0040] Os sistemas de medição, neste caso, formados por uma combinação de unidades inerciais e GPS, assim proveem a orientação (cabeceio, arfagem e balanço) e o movimento (queda livre, queda livre e deslizamento para vante) de cada nave em tempo real. Em outras palavras, essas unidades inerciais e GPS possibilitam monitorar simultaneamente os movimentos de ambos os navios em todos os 6 graus de liberdade.

[0041] Numa concretização alternativa, as unidades de inércia e GPS podem ser substituídas, por exemplo, por um rastreador a laser, uma câmera ou qualquer outro meio de medição para determinar a posição relativa do acoplador em relação ao tubo alvo e, se necessário, orientação relativa de um em relação ao outro (no caso de estruturas flutuantes como neste exemplo) (ver também acima para os meios que podem ser usados). Será também notado que os meios de medição, tais como unidades de inércia ou GPS, podem ser equipados com meios adicionais para comutar da monitoração da posição absoluta para a monitoração relativa. Este poderia ser, por exemplo, um GPS base móvel.

[0042] O próprio braço de carregamento está equipado com sensores dispostos na estrutura e/ou nos atuadores, possibilitando determinar sua configuração a qualquer momento. Neste caso, os sensores são inclinômetros (38), mas eles também podem, em uma variante, ser encoders ou outros meios de medição equivalentes.

[0043] Usando cálculos geométricos baseados nas informações dos sensores instalados no braço (encoders, inclinômetros ou outros sensores), e conhecendo as dimensões reais do braço de carregamento como resultado de uma calibração descrita abaixo, é relativamente simples calcular o valor teórico. da posição do acoplador (26’), neste caso em relação ao suporte do braço. Assim, combinando a medição da configuração do braço com as medições das orientações e movimentos dos navios, a posição relativa do acoplador (26’) em relação ao tubo alvo (35) é determinada por meio do controlador (em coordenadas cartesianas).

[0044] De fato, através das medições acima mencionadas, temos a posição relativa do tubo alvo (35) em relação à base, a posição relativa do acoplador (26’) em relação a essa mesma base e, consequentemente, a posição relativa do acoplador (26’)em relação ao tubo alvo (35).

[0045] O conjunto de acoplamento neste caso também sendo equipado com meios de medição tais como encoders e inclinômetros, aqui novamente temos a orientação relativa do acoplador (26’) em relação ao tubo alvo (cuja orientação é determinado por meio da unidade inercial do invólucro (34)). Mais precisamente, o que é medido neste caso são as posições angulares das juntas giratórias que permitem as rotações em torno das setas duplas D e E.

[0046] Como descrito em detalhe abaixo, quando uma câmara ao nível do acoplador e um alvo ao nível do tubo são os únicos meios de medição utilizados, a posição relativa é medida diretamente, ao contrário da presente concretização, que utiliza uma combinação de sistemas de inércia. unidades e GPS.

[0047] As combinações de meios de medição (unidades inerciais e GPS, por exemplo) são usadas para aumentar a precisão e, consequentemente, a segurança, graças aos algoritmos de mesclagem de dados do filtro de Kalman ou do tipo de rede neural. Isso também permite aumentar a confiabilidade.

[0048] De acordo com a presente invenção, os programas de comando do controlador (41) são usados para guiar o braço de carregamento ao longo de trajetórias especiais, especificamente caracterizado por sua "suavidade". Neste caso, trata-se de uma trajetória limitada por sobre-aceleração (derivada da aceleração), que possui a propriedade de ter um conteúdo de baixa frequência em comparação com as trajetórias usuais, assim, induzindo menos oscilações no braço de carregamento e, particularmente, nas juntas giratórias do conjunto de acoplamento.

[0049] Além disso, essas trajetórias podem ser calculadas de modo a levar em conta as frequências de vibração do braço de carregamento, a fim de evitar que elas sejam excitadas.

[0050] Além disso, estas trajetórias de acordo com a invenção são caracterizadas pela sua geração dinâmica. Elas devem realmente ser capazes de serem geradas em tempo real para se adaptarem ao ambiente (particularmente os movimentos do tubo alvo). Em outras palavras, o controlador de geração de trajetória é adaptado de modo a levar em conta a velocidade atual e a aceleração do braço de carregamento, a fim de criar uma trajetória que não crie qualquer descontinuidade na aceleração que possa produzir vibrações.

[0051] De fato, para conduzir o braço de carregamento em um ambiente marinho, são necessárias trajetórias específicas. Por "dinâmico" (ou "online"), entende-se que o algoritmo de planejamento de trajetória admite um estado inicial diferente de zero. Em outras palavras, o planejamento de trajetória dinâmica permite que o braço de carregamento atualize a trajetória que está sendo seguida sem a necessidade de o sistema parar. O planejamento de trajetória dinâmica é necessário porque o movimento futuro do manifold é desconhecido, portanto, a trajetória do acoplador deve ser constantemente atualizada.

[0052] Os braços de carregamento têm estruturas particularmente flexíveis que oscilam muito facilmente sob os seus sistemas de atuação ou distúrbios externos. Essa oscilação impede que o sistema funcione, porque leva a uma importante perda de precisão. Por essa razão, o algoritmo de planejamento de trajetória usado para acionar o braço de carregamento deve produzir trajetórias limitadas por sobre-aceleração, a fim de limitar a vibração induzida na estrutura do braço de carregamento.

[0053] Juntas, as trajetórias adequadas para conduzir o braço de carregamento devem ser dinâmicas e limitadas por sobre-aceleração. A literatura científica propõe diferentes abordagens para calcular tais trajetórias dinâmicas limitadas por sobre-aceleração [1, 2]. No entanto, para este último método é preferido, aqui, aquele apresentado em [3]. De fato, [3] propõe um método para gerar trajetórias dinâmicas limitadas por sobre-aceleração, que incluem propriedades extras de amortecimento, que tornam possível reduzir significativamente as vibrações no sistema.

Referências:

[0054] [1] HASCHKE, Robert, WEITNAUER, Erik, e RITTER, Helge. Planejamento on-line de trajetórias tempo-ótimas, limitado por sobre-pressão. Em: Robôs e Sistemas Inteligentes, 2008. IROS 2008. IEEE/RSJ International Conference on. IEEE, 2008. p. 3248-3253.

[0055] [2] KROGER, Torsten, TOMICZEK, Adam e WAHL, Friedrich M. Rumo à computação de trajetória on-line. Em: Robôs e Sistemas Inteligentes, 2006 Conferência Internacional IEEE/RSJ em. IEEE, 2006. p. 736-741.

[0056] [3] BESSET, Pierre, BEAREE, Richard e GIBARU, Olivier. Geração de trajetória controlada por sobre-aceleração online baseada em filtro FIR. Em: Tecnologia Industrial (ICIT), Conferência Internacional IEEE 2016, 2016. p. 8489.

[0057] Igualmente vantajosamente, é desejável que as trajetórias das juntas giratórias (isto é, quando a trajetória do acoplador é dividida para ser injetada nos vários atuadores do braço) tenham a mesma duração, a fim de "suavizar" os movimentos do acoplador. Os programas de comando do controlador também podem ser parametrizados para incorporar tal função de sincronização.

[0058] O controlador escolhido deve, portanto, ser rápido o suficiente para operar em tempo real.

[0059] No entanto, quando se trata da posição do acoplador, determinada conforme indicado acima, deve-se notar que: - as dimensões reais geralmente diferem das dimensões nominais. Há, portanto, um erro na estimativa da posição do acoplador; - os elementos do braço de carregamento se deformam, e as deflexões causadas pelos fenômenos de flexão e torção induzem um erro adicional; - dilatação térmica também entra em jogo; e - os eixos de rotação são teoricamente colineares, mas não exatamente assim.

[0060] Esses erros se acumulam e, na prática, podem chegar a várias dezenas de centímetros.

[0061] A presente concretização, portanto, provê uma calibração, que é um procedimento experimental que consiste em encontrar uma fórmula matemática que permita compensar estes erros, para um posicionamento mais preciso.

[0062] Na prática, este procedimento de calibração consiste em medir diretamente a posição do acoplador (por exemplo, por meio de um rastreador a laser, uma câmera ou outro meio de medição apropriado) para um grande número de configurações do braço. Com base nessas medições, e com o auxílio de algoritmos de otimização não-linear (por exemplo, do tipo Levenberg- Maquardt), os parâmetros de um modelo do braço que incorpora os erros são ajustados. Outra solução consiste em treinar uma rede neural baseada nessas medições.

[0063] Na prática, o controlador (41) incorpora um programa para compensar os erros determinados durante a calibração.

[0064] Os programas de comando do controlador, descritos em maiores detalhes abaixo, podem incluir um modelo cinemático do braço de carregamento, a fim de melhorar a precisão do movimento desse braço de carregamento por meio de um programa para compensar os erros resultantes da calibração após o planejamento dos movimentos descritos acima. Em uma variante, em um modelo simplificado, esses programas de comando podem levar em consideração apenas parâmetros teóricos do braço de carregamento.

[0065] No caso da presente concretização do invento, são também providos meios para fazer uma predição do progresso da posição relativa do acoplador em relação ao tubo alvo, tornando possível compensar os atrasos ligados ao fluxo de informação e a dinâmica do braço. Tal predição pode ser ainda mais importante quando o braço tem uma dinâmica lenta em relação aos movimentos do tubo alvo. Tais meios podem implementar modelos estatísticos auto regressivos, uma análise de decomposição de Fourier ou, preferencialmente, dados seus desempenhos, redes neurais, e podem ser usados para ajustar o perfil de movimento seguido pelo acoplador.

[0066] Na prática, usando em um algoritmo de planejamento de trajetória a orientação e o movimento previstos (a partir da medição dos movimentos realizados ao planejar os movimentos do braço) do navio que transporta o braço, também é possível aproveitar os possíveis efeitos inerciais, a fim de reduzir o consumo de energia do braço e as tensões nas juntas giratórias.

[0067] Estes meios de predição são também adaptados para predizer o comportamento dinâmico do braço de carregamento articulado em relação ao comando de movimento que é aplicado a ele (controle) para ajustar o perfil de movimento do acoplador de acordo.

[0068] Na prática, eles são baseados especificamente em medições reais do movimento do braço, como descrito acima, e em suas características dimensionais.

[0069] A presente concretização da invenção também implementa um programa ativo de amortecimento de vibrações por meio do controlador. Tal programa é usado para amortecer, ou mesmo eliminar, qualquer vibração induzida por perturbações externas (vento, etc.).

[0070] Neste caso, os atuadores dos braços são vantajosamente utilizados para eliminar estas vibrações. Na prática, o controlador é parametrizado para sobrepor um ponto de ajuste de vibração nas instruções normais de comando dos atuadores. Este ponto de ajuste de vibração é adaptado para produzir vibrações iguais e opostas às vibrações já presentes no braço e medidas, a fim de cancelá-las.

[0071] Na presente concretização, as oscilações das juntas giratórias e cotovelos do conjunto de acoplamento (26) são medidas, em particular, por sensor de modo que a informação resultante possa ser utilizada para o amortecimento ativo das suas oscilações. O sensor pode ser um encoder, um inclinômetro ou qualquer outro meio de medição equivalente.

[0072] Quando as juntas giratórias do conjunto não são controladas por um ou mais atuadores, é possível agir sobre essas oscilações movendo o tubo (25).

[0073] Numa concretização alternativa, se os atuadores já presentes no braço forem insuficientes, podem ser utilizados atuadores adicionais, tais como, por exemplo, elementos piezoelétricos. Estes podem ser dispostos, por exemplo, nos tubos (24) e (25) ou nas juntas.

[0074] Na prática, o sinal de vibração é medido. Para amortecê-lo ou cancelá-lo, uma vibração de fase oposta (diferença de fase de 180°) é gerada para que a soma seja zero. Essa diferença de fase corresponde a um termo derivativo "amortecedor". Dependendo da parte do braço que está vibrando/oscilando, um ou mais atuadores são usados para gerar a vibração correta.

[0075] Vantajosamente, um programa de prevenção de colisão pode também ser integrado no controlador de modo a evitar colisões entre vários braços de carregamento, quando for o caso, ou com elementos localizados na área de trabalho do braço de carregamento.

[0076] Será também notado que os atuadores (27), (28), (29) estão ligados a um controlador (39) que está ele próprio ligado ao controlador (41). Mais precisamente, é um corretor PID (proporcional, integral, derivativo) que gera pontos de ajuste de fluxo.

[0077] As válvulas que permitem controlar os atuadores não são mostradas na figura por uma questão de clareza.

[0078] Em uma modalidade alternativa, um retorno de informação dos atuadores para o controlador também pode ser provido a fim de indicar se eles realmente atingiram sua posição de ponto de ajuste.

[0079] É também notado que a unidade de potência hidráulica (42) provê os atuadores com a potência hidráulica necessária para o seu funcionamento. Também é controlado pelo controlador através de relés de potência para controlar a partida e o desligamento da unidade hidráulica. A unidade hidráulica compreende uma bomba (não mostrada) para bombear um fluido hidráulico para alimentar os atuadores.

[0080] Naturalmente, isso só é aplicável no caso de atuadores hidráulicos.

[0081] A interface de comando (60) é conectada ao controlador para permitir que um operador controle o acoplamento do acoplador ao tubo alvo. Na prática, pode ser um simples botão (61), como é o caso na presente concretização, para um procedimento de conexão automática.

[0082] Numa variante, o botão na interface de comando (60) pode ser substituído por um joystick para propósitos de acoplamento manual, sendo a trajetória ótima calculada com base nas instruções dadas pelo operador.

[0083] Uma conexão semiautomática também é possível. A trajetória para o modo semiautomático é definida pelo controlador, e o operador simplesmente dá as instruções para avançar ou retroceder nessa trajetória (recalculado em tempo real).

[0084] Assim, na prática, o controlador (41) monitora em tempo real a posição relativa do acoplador em relação ao tubo alvo, e neste caso também a sua orientação relativa, e gera, em tempo real, a partir da última posição determinada relativa e orientação, uma trajetória de movimento do acoplador na direção do tubo alvo, com base no perfil de movimento limitado por sobre- aceleração. Em seguida, calcula as instruções de comando a serem atribuídas a cada um dos atuadores, a fim de controlar o movimento do acoplador na direção do tubo alvo a partir da posição de armazenamento do braço, com base nesse perfil de movimento e nas características específicas mencionadas acima.

[0085] Portanto, calcula em tempo real as distâncias remanescentes entre o acoplador e o tubo alvo ao longo dos eixos X, Y e Z, esquematicamente ilustrados na Figura 1.

[0086] Se estas três distâncias não forem zero, ou iguais a distâncias parametrizadas como distâncias de referência conhecidas para o acoplamento (por exemplo, quando a aproximação final não é tratada pelo próprio controlador), o controlador calcula as instruções de comando para cada um dos atuadores do braço de modo que seus movimentos combinados resultem em um movimento do acoplador para mover o acoplador em direção ao tubo alvo ao longo dos três eixos. O controlador então aplica as instruções de comando calculadas para cada atuador aos atuadores. Também calcula em tempo real as distâncias restantes entre este acoplador e o tubo alvo ao longo dos eixos X, Y e Z. Se essas distâncias ainda não forem iguais a zero ou iguais às distâncias parametrizadas, o controlador recalcula as instruções para os atuadores e as aplica até que essas distâncias sejam iguais a zero ou iguais às distâncias parametrizadas.

[0087] Se todas as três distâncias forem iguais a zero ou iguais às distâncias parametrizadas, isso significa que o acoplador está voltado para o tubo de destino na posição de acoplamento. O controlador também pode enviar, particularmente como parte de um procedimento de conexão totalmente automático, uma instrução de comando para o atuador (30) do acoplador para travar o acoplador no tubo alvo, seguido por uma instrução para soltar os atuadores do braço para liberar os movimentos do braço, uma vez que o acoplador esteja conectado e travado no tubo alvo.

[0088] Na direção oposta, durante o processo de desconexão (o retorno do acoplador à sua posição de armazenamento), o perfil de movimento limitado por sobre-aceleração também é aplicado para evitar que as vibrações sejam geradas no conjunto do acoplamento, o que poderia, em particular, fazer com que este bata contra o navio que transporta o tubo alvo (35) no inicio do retorno. Além disso, a trajetória é definida de modo a evitar qualquer risco de colisão com o tubo alvo (35) ou qualquer outro elemento do navio.

[0089] A posição relativa do acoplador (26') em relação ao tubo alvo (35) é, portanto, monitorada no início do processo de retorno à posição de armazenamento.

[0090] Muitas outras variantes possíveis dependendo das circunstâncias e, consequentemente, note-se que a presente invenção não se limita aos exemplos ilustrados descritos.

[0091] Por exemplo, no caso de um rastreador a laser, um dispositivo a laser compreende um transmissor de laser e um alvo, sendo o dispositivo adaptado para determinar, por meio de um feixe de laser, a posição relativa do acoplador em relação ao tubo alvo. Em outra concretização, uma câmara e um alvo, tal como um alvo de teste reflexivo, poderiam ser utilizados para este propósito.

[0092] Além disso, é possível utilizar apenas duas unidades inerciais ou meios equivalentes para a determinação da posição relativa do acoplador em relação ao tubo alvo, sem determinar a configuração do braço, a fim de monitorar essa posição relativa em tempo real, em seguida, gerar, em tempo real, uma trajetória de movimento com base em um perfil de movimento limitado por sobre- aceleração.

[0093] Além disso, o braço de carregamento pode incluir uma ou mais linhas de transferência com duas ou mais seções conectadas umas às outras pelas juntas vedadas definidas acima.

[0094] O controlador também pode ser substituído, mais geralmente, por um computador.

[0095] Deve notar-se que o dispositivo de controle de acordo com a invenção se adapta a todos os braços de carregamento articulados, e que a adaptação do dispositivo de controle de acordo com a invenção a qualquer outro tipo de sistema de carga está dentro da capacidade de um especialista na matéria.

Claims (14)

1. DISPOSITIVO PARA CONTROLAR O MOVIMENTO DE UMA DAS EXTREMIDADES DE UM BRAÇO DE CARREGAMENTO DE FLUIDO ARTICULADO de uma posição de armazenamento para um tubo alvo (35) e deste tubo alvo (35) para a posição de armazenamento, dito braço compreendendo uma linha de transferência de fluido equipada nesta extremidade com um sistema de acoplamento (26), este sendo adaptado para ser acoplado ao tubo alvo (35) para a transferência de fluido, dispositivo esse que compreende atuadores (27-29) para controlar o movimento do braço no espaço a partir da posição de armazenamento até que o sistema de acoplamento (26) esteja posicionado em frente do tubo alvo (35) para o seu acoplamento ao último, e do tubo alvo (35) para a posição de armazenamento, e este dispositivo sendo caracterizado por incluir meios de cálculo (41) adaptados para: - monitorar em tempo real o movimento do sistema de acoplamento (26); - gerar, em tempo real, a partir da última posição determinada do sistema de acoplamento (26) uma trajetória de movimento do sistema de acoplamento (26) na direção do tubo alvo (35) ou a posição de armazenamento, que se baseia em um perfil de movimento limitada por sobre-aceleração que é prevista online; e - calcular as instruções de comando a serem dadas a cada um dos atuadores (27-29) para controlar o movimento do sistema de acoplamento (26) com base neste perfil de movimento; e - os meios de cálculo compreenderem funções de predição adaptadas para predizer (i) o progresso do movimento do sistema de acoplamento (26) e/ou (ii) o comportamento do braço de carregamento de fluido em relação ao comando dinâmico de movimento limitado por sobre-aceleração que é aplicado a ele; e são adaptados para ajustar o perfil de movimento limitado por sobre-aceleração de modo que ela leve em conta a predição.

2. DISPOSITIVO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa para monitoramento em tempo real do movimento do sistema de acoplamento (26) envolve um monitoramento em tempo real, durante pelo menos parte do movimento, da posição relativa do sistema de acoplamento (26) em relação ao tubo alvo (35), a trajetória sendo gerada a partir da última posição relativa determinada.

3. DISPOSITIVO de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a etapa para monitoramento em tempo real da posição relativa do sistema de acoplamento (26) em relação ao tubo alvo (35) também envolve um monitoramento em tempo real da orientação relativa do sistema de acoplamento (26) em relação ao tubo alvo (35), sendo a trajetória gerada com base na posição relativa e na orientação relativa que foram por último determinadas.

4. DISPOSITIVO de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo tubo alvo (35) ser instalado em uma estrutura flutuante, e o braço de carga ser instalado em uma estrutura fixa ou flutuante, os meios de cálculos estarem vinculados a meios de medição para o monitoramento em tempo real dos movimentos absolutos ou relativos da estrutura ou estruturas flutuantes em todos os 6 graus de liberdade simultaneamente.

5. DISPOSITIVO de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelos meios de medição serem escolhidos do grupo compreendendo unidades inerciais, GPS, GPS adaptado para executar o monitoramento de posição relativa, câmeras, inclinômetros, acelerômetros, potenciômetros, sonar, rastreadores a laser, taqueômetros ou uma combinação dos mesmos.

6. DISPOSITIVO de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelos meios de cálculo utilizar, para o monitoramento, um modelo cinemático do braço que compense erros dimensionais, deformação e/ou de posição reais.

7. DISPOSITIVO de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo modelo cinemático do braço ser obtido por um procedimento de calibração e por um ajuste dos parâmetros de um modelo do braço de carregamento que incorpora esses erros.

8. DISPOSITIVO de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo ajuste ser realizado por meio de algoritmos de otimização não linear ou por treinamento de uma rede neural, utilizando medidas obtidas pelo procedimento de calibração.

9. DISPOSITIVO de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelos meios de cálculo estarem adaptados para aplicar instruções de comando a cada um dos atuadores (27-29) de modo que o movimento induzido por cada um dos atuadores seja simultâneo e tenha a mesma duração.

10. DISPOSITIVO de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo dispositivo de controle incluir também meios de amortecimento de vibração ativos, adaptados para sobrepor um ponto de ajuste de vibração nas instruções de comando aplicadas aos atuadores (27-29).

11. DISPOSITIVO de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelos meios de cálculo também serem adaptados para gerar a trajetória de modo a evitar colisões entre o braço e um elemento ou estrutura no meio envolvente.

12. DISPOSITIVO DE AQUISIÇÃO E CÁLCULO DE DADOS (41) para um dispositivo conforme definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por estar adaptado para: - monitorar em tempo real o movimento do sistema de acoplamento; - gerar, em tempo real, a partir da última posição determinada do sistema de acoplamento, uma trajetória de movimento do sistema de acoplamento na direção do tubo alvo ou da posição de armazenamento, que se baseia em um perfil de movimento limitado por sobre-aceleração que é prevista online; e - calcular as instruções de comando a serem dadas a cada um dos atuadores, a fim de controlar o movimento do sistema de acoplamento com base neste perfil de movimento que é prevista online; e - compreender funções de predição adaptadas para predizer (i) o progresso do movimento do sistema de acoplamento (26) e/ou (ii) o comportamento do braço de carregamento de fluido em relação ao comando dinâmico de movimento limitado por sobre-aceleração que é aplicado a ele; e - ajustar o perfil de movimento limitado por sobre-aceleração de modo que ela leve em conta a predição.

13. MÉTODO DE CÁLCULO PARA O DISPOSITIVO DE CÁLCULO E AQUISIÇÃO DE DADOS, conforme definido na reivindicação precedente, caracterizado por compreender as etapas computacionais consistindo de: - monitorar em tempo real o movimento do sistema de acoplamento; - gerar, em tempo real, a partir da última posição determinada do sistema de acoplamento, uma trajetória de movimento do sistema de acoplamento na direção do tubo alvo ou da posição de armazenamento, que se baseia em um perfil de movimento limitado por sobre-aceleração que é prevista online; -predizer (i) o progresso do movimento do sistema de acoplamento (26) e/ou (ii) o comportamento do braço de carga articulado em relação ao comando dinâmico de movimento que é aplicado a ele; ajustando o perfil de movimento de modo que ele leve em conta a predição; e - calcular as instruções de comando a serem dadas a cada um dos atuadores, a fim de controlar o movimento do sistema de acoplamento com base nesta lei de movimento.

14. BRAÇO DE CARREGAMENTO ARTICULADO caracterizado pelo fato de que compreende uma linha de transferência de fluido equipada em uma das suas extremidades com um sistema de acoplamento adaptado para ser acoplado a um tubo alvo, e um dispositivo de controle conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11.

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