EN - TMI - Curso Engenheiros Navais – ramo Armas e Electrónica
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- Colheita e armazenamento de energia para equipamentos militaresPublication . Panzo, Alcides Leopoldo José; Viegas, Vitor Manuel Rodrigues; Damas, Bruno DuarteA crescente dependência de fontes externas de energia em operações militares representa um desafio logístico e estratégico, especialmente em ambientes remotos ou hostis. A necessidade de soluções energéticas autónomas, sustentáveis e de baixa manutenção tem impulsionado o desenvolvimento de sistemas de colheita de energia capazes de alimentar dispositivos eletrónicos de forma contínua e eficiente. Neste contexto, esta dissertação propõe a análise da viabilidade de um sistema de colheita de energia baseado no módulo BQ25570, alimentado por fontes renováveis de baixa potência, como painéis solares, transdutores piezoelétricos e células de Peltier. O trabalho combina simulações no software TINA-TI com ensaios experimentais, avaliando o desempenho do sistema em condições reais e controladas. Os resultados demonstram que, entre as fontes testadas, apenas o painel solar foi capaz de carregar efetivamente o supercondensador, atingindo os limiares necessários para ativação do circuito. As fontes térmica e piezoelétrica, embora tenham gerado tensão, não apresentaram potência suficiente para iniciar o carregamento. A integração do algoritmo MPPT revelou-se eficaz na otimização da captação solar, enquanto a análise da autodescarga do supercondensador evidenciou limitações em aplicações prolongadas. Este estudo contribui para o avanço na área de sistemas energéticos autónomos, propondo uma solução modular e eficiente, com potencial aplicação em equipamentos militares, sensores remotos e dispositivos IoT. São ainda apresentadas propostas para trabalhos futuros, visando a melhoria da conversão energética e a integração com tecnologias emergentes.
- Desenvolvimento de um tradutor NMEA para ASPNPublication . Pina, Catarina de Sousa e Faro Antunes; Viegas, Vítor; Damas, BrunoA presente dissertação aborda a crescente complexidade e diversidade de sistemas de navegação que tornam essencial a criação de soluções capazes de integrar dados provenientes de diferentes fontes de forma fiável e acessível a múltiplas plataformas. Assim, foi desenvolvido um sistema modular destinado à interoperabilidade de dados de Posição, Navegação e Tempo (PNT), com foco na conversão de mensagens segundo o protocolo National Marine Eletronics Association (NMEA) para um formato padronizado em Extensible Markup Language (XML), seguindo a norma All Source Positioning and Navigation (ASPN). O trabalho desenvolvido incidiu na conceção, implementação e validação de um sistema capaz de receber dados de um recetor GPS, interpretar e validar as mensagens NMEA, convertê-las para XML e redistribuí-las em rede via User Datagram Protocol (UDP) multicast. O sistema foi desenvolvido segundo uma arquitetura modular, o que permite a integração de componentes específicos em diferentes fases, como um módulo parser, tradutor de protocolo, e uma interface gráfica. Esta abordagem garante que existe facilidade na manutenção do sistema bem como o potencial para uma possível expansão futura. A validação experimental passou por três fases distintas. Inicialmente foram utilizadas mensagens NMEA simuladas em ambiente local, garantindo que o sistema conseguia interpretar os dados recebidos. Uma vez concluída esta fase, integrou-se um módulo u blox 7M-NEO que fornecia dados Global Positioning System (GPS) reais. Os ensaios culminaram num contexto operacional, a bordo de um navio, onde foram testados todos os procedimentos implementados anteriormente. Os resultados obtidos demonstraram que o sistema manteve a consistência ao longo do processo, assegurando a tradução e posterior distribuição em rede. Os resultados evidenciam que a solução desenvolvida é robusta e adequada para aplicação em cenários reais de interoperabilidade PNT, validando o uso do XML como formato comum para integração de sistemas heterógenos. Este trabalho contribui para a simplificação da gestão de dados de navegação, promovendo a interoperabilidade entre diferentes equipamentos e protocolos.
- Localização e navegação em ambientes com disrupção de sinal GNSS, utilizando LIDAR e odometria visualPublication . Rasinhas, Frederico Guilherme Raposo Baptista Alves; Damas, Bruno Duarte; Viegas, Vítor RodriguesUm dos desafios mais prementes no domínio da robótica é o desenvolvimento de sistemas autónomos capazes de estimar continuamente a sua posição e orientação sem depender de referências externas, especialmente face às vulnerabilidades associadas aos Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS). Esta necessidade é particularmente evidente em conflitos atuais na Europa e Médio Oriente, onde veículos não tripulados desempenham um papel crescente e essencial. Neste contexto, a presente dissertação centra-se no desenvolvimento de um sistema de localização autónomo robusto, aplicado a um veículo terrestre não tripulado ou Unmanned Ground Vehicle (UGV), o Leo Rover. O objetivo principal consiste em estimar com precisão e robustez a trajetória do veículo utilizando exclusivamente sensores integrados, nomeadamente, um sensor LIDAR, uma câmera, encoders nas rodas e uma Inertial Measuremente Unit (IMU) de baixo custo. A abordagem adotada baseia-se numa fusão sensorial loosely-coupled, onde a pose é inicialmente estimada independentemente através de algoritmos específicos para cada sensor: a odometria visual recorre ao método de fluxo ótico Kanade-Lucas-Tomasi (KLT), sendo a escala relativa determinada pelo ajuste de pontos identificados ao plano do solo; enquanto a odometria LIDAR é obtida através do algoritmo Iterative Closest Point (ICP). Estas estimativas são posteriormente fundidas com medições provenientes das rodas e da IMU através de um Error-State Extended Kalman Filter (ESKF), numa estrutura modular flexível que facilita a integração ou exclusão de sensores adicionais. Para validar a abordagem proposta, foram realizados testes experimentais em ambientes interiores e exteriores, com diferentes níveis de estruturação, visibilidade e condições de iluminação, simulando cenários operacionais realistas. As trajetórias estimadas pelo sistema foram comparadas com medições de referência obtidas a partir de sensores externos, nomeadamente um recetor GNSS e um sistema de posicionamento em ambientes interiores (IPS). Esta comparação permitiu avaliar, de forma rigorosa, a precisão e a robustez do sistema desenvolvido.
- Geolocalização de alvos marítimos a partir de uma câmara RGB montada num UAVPublication . Bernardes, Miguel Miranda; Lopes, GMAR AN Xavier SantosOs Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) têm potencial para se tornarem uma ferramenta valiosa na vigilância marítima, especialmente em cenários onde os navios não utilizam o Sistema de Identificação Automática. Esta dissertação aborda a geolocalização de alvos marítimos a partir de imagens captadas por uma câmara RGB (Red, Green and Blue) montada num VANT, utilizando dados de posicionamento (Global Positioning System, GPS) e orientação (Inertial Measurement Unit, IMU). A metodologia desenvolvida visa detetar e geolocalizar navios recorrendo a um VANT, contribuindo para o esclarecimento do panorama situacional sem a mobilização de meios adicionais. A abordagem incluiu a calibração da câmara para determinar parâmetros intrínsecos e extrínsecos, a deteção de navios utilizando redes neuronais convolucionais You Only Look Once (YOLO) versão 8 com a arquitetura nano e a geolocalização direta baseada em transformações de coordenadas, utilizando informações da pose do VANT e da orientação da câmara, com aplicação do Filtro de Kalman Estendido (FKE) para reduzir o erro da estimativa ao longo do tempo. Um contributo significativo foi a criação de um conjunto de dados original, composto por um vídeo captado por VANT, com dados de pose, dados de transformação de coordenadas do mundo para a câmara, anotações do vídeo e as posições dos navios detetados. Os resultados experimentais, obtidos em testes reais, demonstraram uma deteção eficaz, alcançando um F1 Score de 0.66. A geolocalização revelou erros médios de 100 m a 1200 m, para alvos próximos (2 km) e distantes (5 km), respetivamente, com o FKE a melhorar a consistência em alvos distantes. Limitações como ruído sensorial, assincronismo temporal e proximidade da deteção ao horizonte impactaram a precisão. A metodologia revelou-se viável para vigilância marítima, mas requer mais testes para alvos a maior distância.
- Design and Study of a Wearable Antenna for Aquatic CommunicationPublication . Candeias, Catarina Calvão; Felício, João Monteiro; Damas, Bruno ; Fernandes, Carlos A.Efficient communication in aquatic environments remains a significant engineering challenge, due to the high permittivity and conductivity of water, which cause severe attenuation of electromagnetic waves. This dissertation explores a practical solution: the design and simulation of a wearable antenna integrated into a swimmer’s suit, aiming to enable reliable short-range, of a few centimeters, communication between the user and an external receiver. Such a system is particularly relevant in scenarios where mobility, comfort and operational efficiency are essential, including aquatic sports, search-and-rescue missions and military operations. The antenna was designed to operate at 2.45 GHz, a frequency within the Industrial, Scientific and Medical (ISM) band, due to its compatibility with low-power wireless protocols such as Bluetooth. A theoretical analysis of electromagnetic wave propagation in water was conducted, including the impact of human tissue and water attenuation and material influence. Link budget calculations and analytical models were used to compare multiple operating frequencies and to define antenna positioning scenarios. Two antenna topologies were initially analyzed through numerical simulations using CST Studio Suite, the Inverted-F Antenna (IFA) and a Slotted Patch antenna. The latter antenna was selected and further optimized for integration into a flexible neoprene layer, simulating realistic wearable conditions near the human body. Further studies concluded that this antenna was sensitive to water layers changing its resonant frequency significantly. A search for an alternative antenna was needed. The study introduced a third antenna, the Wearable Parallel Patch Antenna (WPPA), simulations and experimental work were conducted and prevailed and the trials demonstrated good enough results for its fabrication. A homogeneous phantom was fabricated to replicate the dielectric properties of muscle tissue at 2.45 GHz, enabling realistic physical testing of the antenna in aquatic and non-aquatic environments. Experimental measurements were conducted using the fabricated antenna, and the final results showed a good agreement with the simulations. The WPPA exhibits a linear polarized antenna with a bandwidth of |S11| < 10dB, achieving a gain of -5.11 dBi in the water environment and 6.36 dBi in the air environment. To enable data collection from the WPPA, an ESP32- CAM microcontroller with integrated Bluetooth was connected to it, while a second ESP32-CAM was linked to the receiving antenna positioned outside the aquatic environment. This setup allowed the external antenna to capture both the distance between the two antennas and the Received Signal Strength Indicator (RSSI). Future research would be valuable to further investigate the practical application of this approach, particularly in using ESP32-CAM units with external antennas for wireless real world implementations.
- Sistema Portátil de Carregamento de Equipamentos EletrónicosPublication . Gomes, Vicente Kitchecanar; Viegas, Vitor Manuel Rodrigues; Damas, Bruno DuarteAtualmente existe uma grande dependência de aparelhos eletrónicos nos setores da indústria, da saúde, da economia e até no cidadão comum, como tal, o mundo militar não é excessão.O funcionamento desses equipamentos está dependente das suas baterias, e quanto maior a bateria maior a autonomia. As baterias grandes constituem um problema para as forças militares, diminuindo a sua operacionalidade. De forma a contrariar este problema desenvolveu-se um sistema portátil de carregamento de equipamentos eletrónicos. O sistema é composto por um módulo fotovoltaico de 0,0025 m2 de área, uma bota com piezoelétricos e uma bobine de indução magnética. Realizou-se um estudo ao módulo fotovoltaico chegando à conclusão que este era mais eficiente quando conectado em série com uma resistência de 5,2 Ω. Realizou-se um estudo à bobine de indução magnética onde se concluiu que esta produz mais energia quando se encontra ligada em série a uma resistência de 815 Ω. Neste estudo também foi possível concluir que em movimento a bobine de indução magnética produz mais energia quando é colocada no tornozelo. Por fim realizou-se um estudo em que se verificou que o módulo fotovoltaico, de dimensões muito pequenas, produz energia a uma potência de 74 mW, 2,6 mW e 0 mW para situações de muita, pouca e nenhuma luminosidade, respetivamente. Isto faz com que o sistema portátil tenha 3 valores de potência: 74,58 mW, 3,18 mW e 583 µW. Apesar do sistema não se apresentar capaz de alimentar um aparelho eletrónico autonomamente, os estudos revelam que é possível carregar uma pilha AAA em menos de um dia.
- Localização e navegação em ambientes com disrupção de sinal GNSS usando unidades inerciais, odometria e outros sensoresPublication . Barata, Tomás dos Santos; Damas, Bruno; Viegas, Vítor; Conceição, Vítor F. Plácido daOs Sistemas Globais de Navegação por Satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS) providenciaram um aumento significativo do rigor e disponibilidade de dados de Posicionamento, Navegação e Tempo (PNT), no entanto, esta vantagem expôs também vulnerabilidades nas infraestruturas críticas, pela dependência destes sistemas. A emergência dos veículos autónomos potencia ainda mais a criticidade desta dependência, em particular em cenários militares onde é fundamental dispor de dados de navegação e posição robustos e resilientes. Este estudo apresenta uma via para aumentar a resiliência dos sistemas PNT, através da implementação de fusão sensorial utilizando um Filtro de Kalman Estendido (Extended Kalman Filter, EKF). Explora-se, também, a importância dos dados PNT em cenários de Navigation Warfare (NAVWAR). É apresentada uma visão abrangente dos sensores relevantes. Os princípios dos Filtros de Kalman são abordados com detalhe. O trabalho desenvolvido na dissertação envolve a integração de um conjunto de sensores num veículo terrestre não tripulado (Unmanned Ground Vehicle, UGV) incorporando um recetor GNSS e um Sistema de Posicionamento Indoor (IPS) ba seado em beacons para complementar os sensores já existentes, Unidade de Medida Inercial (Inertail Measurement Unit, IMU) e encoders para as rodas. São desen volvidos modelos cinemáticos e dinâmicos, juntamente com modelos dos sensores para IMU, odometria, GNSS e IPS. O estudo centra-se na implementação de EKFs para fusão sensorial. Adquiriram-se múltiplos conjuntos de dados em ambiente interior e exterior, resultantes de diversos ensaios reais com o UGV. Subsequentemente, realizou-se uma análise qualitativa e crítica dos resultados obtidos. Este trabalho, alinhado com um grupo de trabalho da NATO, contribui para o avanço de soluções PNT robustas e resilientes para sistemas autónomos que operam em ambientes de disrupção de sinal GNSS. As conclusões e os resultados do desempenho da fusão sensorial são apresentados nos capítulos finais da dissertação.
- Integração de um sistema de apoio à aterragem de Veículos Aéreos Não Tripulados (UAVs) em naviosPublication . Vieira, Matilde de Macedo Correia; Damas, Bruno Duarte; Santos, Nuno Alexandre Antunes Martins PessanhaOs Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) são utilizados nos dias de hoje em inúmeras aplicações, abrangendo vigilância operacional, reconhecimento em tempo real, atividades humanitárias, entre outras. Os veículos aéreos não tripulados podem ser operados manualmente por um piloto ou autonomamente, com trajetos pré-definidos. A aterragem de veículo aéreo não tripulado em navios apresenta uma dificuldade acrescida devido à área limitada disponível a bordo. Adicionalmente, existem áreas navegáveis em que o sinal Global Positioning System (GPS) pode ter falhas intermitentes de sinal ou sofrer empastelamento, aumentando o desafio de aterragem dos veículos aéreos não tripulados. Consequentemente, torna-se fundamental auxiliar e automatizar a fase de aterragem de veículo aéreo não tripulado em navios, uma vez que é durante este período que ocorre o maior número de acidentes. A presente dissertação explora a visão computacional, aplicando duas câmaras por forma a localizar o veículo, apresentando-se como uma abordagem viável em situações em que ocorra falha de sinal GPS. Foram obtidos três conjuntos de dados reais, com um aparato experimental dedicado para o efeito, através da captura de imagens em três cenários distintos. Um dos cenários envolveu a aquisição de imagens a bordo de um navio da Marinha Portuguesa, evidenciando a diversidade dos dados obtidos. A calibração das câmaras foi efetuada de acordo com o método de Zhang e a determinação dos parâmetros intrínsecos e extrínsecos pelo método Perspective-n-Point. O alinhamento temporal entre as câmaras e os dados de telemetria do veículo aéreo não tripulado, permitem o sincronismo dos dados e uma maior precisão temporal. Os datasets adquiridos foram devidamente anotados para a análise do desempenho nos algoritmos implementados. O dataset disponibilizado é composto por cerca de vinte mil imagens anotadas através de bounding boxes. De forma a demonstrar a aplicação prática do dataset, os dados foram submetidos a duas aplicações distintas, o Filtro de Kalman Estendido e a Triangulação Stereo.
- Desenvolvimento de um simulador radar para auxílio na monitorização da Zona Económica Exclusiva de Cabo VerdePublication . Moniz, Bruno Miguel Monteiro; Felício, João MonteiroA Guarda Costeira de Cabo Verde, apesar de ter um sistema com diversos meios que auxiliam na monitorização do mar de Cabo Verde, a falta de um sistema radar é uma grande limitação nesse sistema. Partindo da premissa de que existe essa necessidade de ter um sistema radar, surgiu a necessidade de criar uma ferramenta que auxilie no planeamento da instalação desse sistema radar. O simulador desenvolvido se baseia nos princípios teóricos do radar, nas técnicas de simulação, nos conceitos que envolvem a propagação de RF e usando as ferramentas que o MatLab disponibiliza. O simulador está destinado a ser utilizado pela guarda costeira de Cabo Verde, permitindo avaliar efetivamente as necessidades de cobertura radar e planear a implantação de um sistema radar de acordo. Desta forma, este trabalho contribui para a melhoria dos esforços de vigilância marítima e segurança costeira em Cabo Verde.
- Estudo comparativo de alguns Métodos de cálculo de trajetórias acústicas submarinasPublication . Caquarta, Moisés Mueletunda Aleixo; Gatta, Mário; Moreira, Miguel BentoAs técnicas de cálculos de trajetórias de raios acústicos têm sido aperfeiçoadas, com objetivo de aproximar-se cada vez mais de resultados que satisfaçam os interesses para os quais são aplicadas. Na acústica submarina, o domínio destas técnicas é de suma importância, por contribuírem para a descoberta, estudo e preservação dos recursos existentes no oceano. No âmbito da Defesa, essas técnicas podem ser um elemento preponderante para a guerra antissubmarina. A presente dissertação centrou-se na relação e síntese de alguns métodos de cálculo de trajetórias acústicas submarinas e na sua aplicação perto de fontes hidrotermais por possuírem um grande gradiente de temperatura e por tanto relativamente grandes variações de velocidade do som em pequenas distâncias, permitindo uma melhor visualização do encurvamento dos raios acústicos. Com base em estudos anteriores, formulamos e relacionamos modelos de equações bidimensionais e tridimensionais utilizando dois métodos distintos: o método do tempo mínimo de Fermat e o método das linhas geodésicas. Conforme era expectável, observou-se que, para velocidades do fluido estacionários, ambos os métodos conduzem às mesmas equações diferenciais, uma correspondência que teoricamente se antevia. Para validar as equações formuladas, foram realizadas simulações computacionais utilizando as linguagens de programação MATLAB e Python. Considerando diferentes perfis de velocidade, emitimos raios a partir de certas posições e ângulos de emissão próximos a uma região com características idênticas a uma fonte hidrotermal, permitindo assim demonstrar a confiabilidade dos modelos formulados na prática. Após provar a confiabilidade das equações formuladas, introduziu-se um elemento essencial que evidencia a vantagem de um método em relação ao outro: a formulação de um modelo que considera a corrente do fluido. Usando o formalismo das linhas geodésicas, formulou-se o mesmo. Dado o movimento de fluidos que surgem nas chaminés das fontes hidrotermais, formulamos um modelo supondo um campo de velocidade do fluido ⃗v(vx; vy; vz) atuando somente na direção vz. Isso resultou em outras equações diferenciais que foram igualmente simuladas e cujos resultados foram igualmente discutidos.