Modelagem e Simulação

Os Simuladores são poderosas ferramentas, capazes de reproduzir equipamentos, ambientes e sistemas complexos com grande fidelidade.
Utilizando-se simuladores, é possível replicar de forma controlada situações que no mundo real envolveriam grandes riscos ou altos custos.
Por essas características, os simuladores são ferramentas ideais para alavancar o preparo e treinamento do pessoal com redução de custos, gerar dados para assessorar o planejamento de operações e até mesmo para otimizar processos e criar novos procedimentos.
A Divisão de Modelagem e Simulação do CASNAV conta com profissionais capacitados para atuar em todo o ciclo de utilização de simuladores, desde o levantamento de requisitos e modelagem dos sistemas de simulação até o seu desenvolvimento e aplicação.
São expertises da Divisão de Modelagem e Simulação:

Desenvolvimento de Simuladores para Treinamento baseados em Realidade Virtual;
Desenvolvimento de Simuladores Construtivos;
Agregar, incrementar e disseminar conhecimento nas áreas de Modelagem e Simulação, Realidade Virtual, Realidade Aumentada e Visão Computacional;

Simulador de Passadiço

Simulador de Passadiço (SIMPASS)
O Simulador de Passadiço é um projeto iniciado em 2011 pela Divisão de Modelagem e Simulação do CASNAV, tendo o objetivo inicial de criar um Simulador de Navios Mercantes para a Escola de Formação de Oficiais da Marinha Mercante (EFOMM). No entanto, vários subprodutos derivaram daquele simulador, tornando possível suprir as necessidades de treinamento de diversas organizações da Marinha.
O SimPass e seus subprodutos e variações vêm sendo empregados desde 2013 para instrução e treinamento de todas as tarefas relacionadas à navegação e manobra que são executadas em passadiços de embarcações civis e militares de médio a grande porte. Neste ambiente virtual de treinamento imersivo, é possível realizar operações de:

Navegação observada em diversas condições ambientais, variando as condições de corrente, ondas, vento, visibilidade e hora do dia;
Navegação Radar (ARPA, Paralelas Indexadas, Distâncias Radar);
Navegação Eletrônica (ECDIS);
Controle e acompanhamento de contatos de superfície;
Manobras táticas (formaturas e reabastecimentos no mar);
Comunicações rádio (VHF) e visuais (holofote e bandeiras);
RIPEAM;
Manobras de atracação/desatracação;
Fundeio de precisão;
Homem ao Mar;
SAR (SART, fumígenos, flare de localização);
Manobras com rebocadores;
Familiarização com fatores ambientais na dinâmica do navio (efeitos de fundo, squat, banco/canal, corrente, vento, passing-ships); e
Gerenciamento de Passadiço sob condições extremas de avarias em equipamentos (falhas de propulsão, leme, energia, equipamentos de navegação, giro).

Subprodutos do SimPass
Por ter desenvolvido e deter totalmente a propriedade intelectual do SimPass, foi possível ao CASNAV adaptá-lo e modificá-lo a outras necessidades da Marinha do Brasil, produzindo os seguintes subprodutos:

Simulador de Passadiço de Navios Mercantes

Simulador de Passadiço de Navios Mercantes (SimCIAGA)
O Simulador de Passadiço de Navios Mercantes foi inaugurado oficialmente no Centro de Instrução Almirante Graça Aranha (CIAGA) em 2018. O SimPass é um simulador Virtual, eminentemente didático, do tipo Full Mission Ship Simulator (FMSS), desenvolvido em acordo com os requisitos da STCW (International Convention on Standards of Training, Certification and Watchkeeping).

Um simulador do tipo FMSS consiste em uma réplica em escala real de um passadiço de navio com a visualização do ambiente externo, em realidade virtual, através das janelas do passadiço e com a simulação dos consoles e instrumentos necessários à navegação e à manobra do navio.

O Simulador de Passadiço – SimPass – é dividido em Módulos ou subsistemas apoiados por equipamentos físicos normalmente encontrados no passadiço de um navio. A inclusão de equipamentos reais aprimora a capacidade do simulador de atingir os objetivos de aprendizado ao familiarizar os treinandos com o tipo de interface e comportamento dos equipamentos que encontrará a bordo dos navios reais.

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Simulador de Passadiço Multiplayer da Escola Naval (SimPass- MP)

Simulador de Passadiço Multiplayer da Escola Naval (SimPass - MP)

Com o intuito de melhor atender os objetivos de aprendizado da Escola Naval, foi incluida no SimPass a funcionalidade de multiplayer, ou seja, de conectar várias instâncias do Simulador de Passadço em uma única simulação.

Com a inclusão desta funcionalidade, tornou-se viável a execução de exercícios táticos entre diversos navios controlados simultaneamente por equipes de passadiço distintas.

A instalação atual da Escola Naval conta com um passadiço principal e mais seis secundários, sendo possível simular sete navios ao mesmo tempo. Mais detalhes acerca do SimPass-MP

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Simulador de Passadiço de Submarinos (SimPass-Sub)

Simulador de Passadiço de Submarinos (SimPass-Sub)
O "passadiço" de um submarino navegando na superfície é o topo da vela, onde seus ocupantes ficam expostos ao ambiente. Nesta situação, não ficam disponíveis para o Oficial de Serviço no passadiço todas as informações e sensores normalmente disponíveis em um passadiço de navio de superfície, tornando necessário que o Oficial de Serviço obtenha diversas informações visualmente.

O SimPasSub é fruto da adaptação do SimPass à realidade do passadiço de submarino, com as devidas modificações para reproduzir o ambiente virtual do SimPass em um óculos de realidade virtual.

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Simulador de Periscópio (SimPer)

Simulador de Periscópio (SimPer)
Em um projeto conjunto com o Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM), o SimPass foi adaptado para funcionar como Simulador de Periscópio, a fim de atender às necessidades dos cursos de carreira ministrados no Centro de Instrução Almirante Áttila Monteiro Aché (CIAMA).

Neste projeto conjunto, o IPqM desenvolveu o hardware da réplica de periscópio, enquanto que o CASNAVadaptou o SimPass e o interfaceou com este hardware.

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Simulador de Radar/ARPA (SARPA)

Simulador de Radar/ARPA (SARPA)
Este simulador utiliza apenas o módulo Radar/ARPA, componente do SimPass, para atender a necessidades do Ensino Profissional Marítimo, especificamente para alguns cursos de atualização de aquaviários que necessitam de Radar para instrução.

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Simulador de Navegação em Paraquedas (SNP)

A instrução, o adestramento e o planejamento de Operações Especiais, em especial aquelas que utilizam o salto livre como método de infiltração, envolvem elevado custo de execução, tanto do ponto de vista humano, quanto do material. A complexidade e o risco elevados da atividade de salto livre, principalmente por militares em fase inicial de treinamento ou qualificação, aliados aos altos custos operacionais das aeronaves utilizadas nos saltos, são suficientes para justificar a utilização simuladores, a fim de otimizar este tipo de treinamento.

Os simuladores similares disponíveis eram todos importados e de código fechado, portanto, o CASNAV em conjunto com o Batalhão Tonelero (Batalhão de Operações Especiais de Fuzileiros Navais), identificou a possibilidade de se desenvolver um SNP nacional, viável e a um custo reduzido, quando comparado a sistemas similares importados, permitindo grande flexibilidade na configuração de cenários de operação e atualizações no futuro.

A dificuldade de treinamento e instrução por parte dos instrutores de salto livre, devido às poucas horas de vôo disponíveis para saltos reais, pode ser reduzida em grande parte pelo emprego do SNP, pois ao permitir o treino simulado de tarefas básicas, otimiza o aproveitamento dos saltos reais, aumentando muito o seu potencial didático e diminuindo os riscos devidos à falta de adestramento.

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Console Imagens Táticas com Realidade Aumentada (CITRA)

O CITRA é um sistema, desenvolvido pelo Divisão de Modelagem e Simulação do CASNAV, que permite a um operador visualizar imagens reais, produzidas por uma câmera de monitoramento por vídeo, combinadas com elementos sintéticos advindos de sensores componentes do ambiente de Comando e Controle Marítimo, valendo-se de técnicas de Realidade Aumentada

Nessa visualização, o CITRA combina as imagens reais da(s) câmera(s) conectada(s) com o referido equipamento, com metadados obtidos de um sistema de Comando e Controle macro, funcionando como um módulo de consicência situacional por vídeo. A concepção principal do CITRA e seus testes em campo estão sendo concebidos para atuar como um componente importante do Sistema de Gerenciamento da Amazônia Azul ( SisGAAz ) o qual, por sua vez, concentra informações de outros sensores, como radares, AIS, sensores acústicos ou enlaces de rádio com dados táticos.
A realidade aumentada permite ao operador do CITRA observar sobre uma imagem 3D obtida de uma câmera de vídeo os dados compilados (nome, classificação, rumo, velocidade, bandeira, destino, etc.) referentes aos objetos (navios, aeronaves, elementos de navegação, etc.) conhecidos pelo sistema de Comando e Controle.

O operador do CITRA também pode criar, atualizar e enviar periodicamente um acompanhamento de interesse a partir de um elemento observado na imagem e ainda não conhecido pelo sistema de comando e controle (SisGAAz), permitindo assim que CITRA seja também um sensor gerador de acompanhamentos de interesse.
A geração de acompanhamentos de interesse pelo CITRA pode ser feita de forma manual pelo operador, posicionando o apontador no ponto da imagem real da câmera ou pode, futuramente, vir a ser feita automaticamente por algoritmos de reconhecimento de padrões e rastreio de objetos empregando IA e técnicas de Visão Computacional.

O funcionamento do CITRA com uma malha de câmeras visuais ou IR atuando sistematicamente como sensores para o SisGAAz depende de um posicionamento estratégico das mesmas que muitas vezes implica em instalações em pontos remotos avançados, com pouca infraestrutura de base (alimentação elétrica estabilizada e conectividade de rede). O emprego de tecnologias avançadas para se estabelecer comunicações de dados dentro desta malha é fundamental, permitindo confiabilidade do sistema com baixa latência, mesmo em pontos remotos como ilhas e elevações em morros ao longo da costa.

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Sistema de Simulação de Guerra Naval (SSGN)

O SSGN é um simulador construtivo desenvolvido pelo CASNAV para apoiar as atividades desenvolvidas pelo Centro de Jogos de Guerra (CJG) da Escola de Guerra Naval (EGN). Seu propósito é simular os diferentes tipos de ações de guerra naval, no nível de Teatro de Operações (TO), entre as Forças Navais e Aeronavais, para a condução e a avaliação de Jogos de Guerra didáticos e analíticos.
Empregando uma interface essencialmente gráfica, o SSGN retrata eficazmente diversos aspectos do cenário tático real, a capacidade logística empregada, os resultados dos engajamentos entre unidades, detecção dos meios, informações geográficas e condições climáticas. Esta funcionalidade permite aos jogadores coletar rapidamente um grande número de informações para apoio à decisão, possibilitando o aprimoramento profissional dos partícipes.

O sistema está estruturado para cumprir as diversas fases de um jogo de guerra, ou seja, Preparação, Execução e Análise. Sua arquitetura contempla subsistemas que atenderão a essas fases, o que confere ao sistema larga flexibilidade, na medida em que possibilita uma configuração customizada para necessidades específicas do usuário, sem prejuízo do efetivo controle do jogo. Tal estrutura também apresenta a vantagem de possibilitar a evolução escalonada de funcionalidades, reduzindo consideravelmente os custos de atualização e manutenção. Em todos os subsistemas, a interface com o usuário é amigável, com procedimentos em janelas, menus, ícones, etc., de forma bastante intuitiva para o usuário.

Possui integração com outros sistemas, como por exemplo: o Marte da Força Aérea Brasileira (FAB), onde consegue reproduzir os voos realizados por aquela simulação; o Sistema de Jogos Didáticos (SJD) do Centro de Instrução Almirante Silvio de Camargo (CIASC), onde consegue visualizar o posicionamento das unidades do Corpo de Fuzileiros Navais (CFN) na interface do SSGN; o SIPLOM (Sistema de Planejamento Operacional Militar) do Ministério da Defesa (MD), onde, via barramento INTERC2 (Interoperabilidade de Comando e Controle), consegue interoperar informações de meios como localização, hostilidade, situação operacional, etc.
Está operativo desde 2003, quando substituiu seu antecessor, o Sistema Computacional de Jogo Versão 1 (SCJ1), o primeiro Simulador de Jogos de Guerra desenvolvido na América do Sul, também pelo CASNAV, que operou desde 1985. O primeiro Gerente de Projeto do SSGN foi o, hoje Comandante da Marinha, Almirante de Esquadra Garnier, cuja participação, inclusive na especificação do sistema, durou até o final do ano de 2000.

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Simulador de Orientação de Aeronave (SOA)

Simulador de Orientação de Aeronave
A atividade de orientação de aeronave a bordo dos navios, realizada por militares qualificados utilizando sinais visuais, permite auxiliar o piloto da aeronave nas operações de pouso, decolagem e transferência de carga, contribuindo para a segurança das operações aéreas.

O Simulador de Orientação de Aeronave (SOA) foi concebido como uma ferramenta de treinamento para a formação dos orientadores, permitindo a redução de custos operacionais, a promoção de um ambiente seguro para a prática de procedimentos de emergência e a possibilidade de múltiplas repetições de determinados eventos.

A Realidade Virtual foi utilizada para possibilitar uma maior imersão no cenário simulado, enquanto o Aprendizado de Máquina foi empregado para o reconhecimento automático dos gestos produzidos pelo aluno, permitindo que a aeronave virtual responda de forma autônoma aos sinais do orientador, tornando o treinamento mais natural.

Maiores detalhes sobre o projeto podem ser encontrados neste artigo.

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Simulador de Navegação Polar - SIGMA-8

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Desde 1975 o Brasil é signatário do Tratado Antártico, tendo iniciado o Programa Antártico Brasileiro (PROANTAR) em 1982. A entrada do Brasil no chamado Sistema do Tratado da Antártica abriu à comunidade científica nacional a oportunidade de participar em atividades que, juntamente a pesquisa do espaço e do fundo oceânico, constituem as últimas grandes fronteiras da ciência internacional.

O apoio de navios polares às operações antárticas é um fator fundamental para assegurar a consecução dos interesses nacionais na região. No entanto, a navegação em regiões polares exige dos navegadores o desenvolvimento de competências específicas, muitas incomuns àquelas necessárias para a navegação oceânica comum. Para que sejam capazes de navegar com segurança no ambiente antártico, é ideal que os navegadores adquiram conhecimentos e desenvolvam habilidades difíceis de se praticar no ambiente de navegação oceânica comum.

O projeto Sigma-8 visa suprir a Marinha do Brasil com ferramentas didáticas eficientes para ajudar a desenvolver e exercitar nos futuros navegantes antárticos, antes mesmo do início da operação, os conhecimentos, habilidades e atitudes necessárias ao bom exercício da navegação polar.

Outrossim, Centro de Instrução e Adestramento Almirante Radler de Aquino (CIAARA), instituição de ensino da Diretoria de Hidrografia e Navegação (DHN) será dotado de um simulador de passadiço full-mission capaz de navegação polar, não limitando-se portanto a esta última. Desta forma, o simulador será complementado também para atender a necessidades de outros cursos no âmbito daquele Centro.

O nome Sigma-8 é uma alusão à estrela Sigma Octantis também chamada de Polaris Australis, que é atualmente a Estrela do Sul, ou seja a estrela visível a olho nu que mais se aproxima do polo sul terrestre.
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Simulador Integrado de Passadiço e Combate (SICOMB)

Simulador Integrado de Passadiço e Combate (SICOMB)

Por ter sido um projeto a princípio destinado ao desenvolvimento de um simulador full-mission para a Escola de Formação de Oficiais da Marinha Mercante (EFOMM), é necessário acrescentar funcionalidades no SimPass para que as necessidades de treinamento da Esquadra Brasileira sejam atendidas.

Dentre as diversas novas funcionalidades previstas, estão a capacidade de lançar e controlar aeronaves orgânicas, realizar manobras táticas coordenadas com outros navios, reabastecimento no mar e disparo/lançamento de diversos armamentos, além da coordenação imprescindível entre o ambiente do passadiço e o Centro de Operações de Combate.

Em específico, espera-se que a implementação da Interoperabilidade de Simuladores Virtuais de Treinamento Para Operações Aéreas possa contribuir para o incremento do adestramento do binômio navio x aeronave. Estima-se uma tangível economia de recursos, redução do desgaste de material e redução da poluição, incremento do adestramento e aumento da segurança e redução de riscos.

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Projeto Embarcação Autônoma

1 - Introdução

O Projeto MB-2021 tem como objetivo macro converter, a baixíssimo custo, uma embarcação de superfície projetada para pesquisa científica em embarcação remotamente pilotada e posteriormente em embarcação autônoma, a fim de se criar uma infraestrutura laboratorial flutuante para pesquisas na área de embarcações autônomas de superfície.

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2 - Motivação

A motivação para se alcançar esta meta está na oportunidade impar que se formou atualmente dentro do seguinte cenário, balizada por 04 (quatro) pilares principais: disponibilidade de uma plataforma adequada para o Projeto; o interesse tecnológico e acadêmico pelo assunto; o interesse acadêmico dentro da MB por pesquisas afins; e a necessidade de gerar conhecimento pela Autoridade Maritima.

2.1 - Disponibilidade de Plataforma
O Setor de Ciência e Tecnologia da MB (SCTMB) recebeu o tombamento de uma moderna lancha de pesquisas que foi adquirida para um projeto de pesquisas entre IPQM e EMBRAER, fomentado pela FINEP, chamado SDFDAN e que vizou a “Fusão de Dados de Sensores Navais”. Esta lancha está avaliada em mais de R$ 500.000,00 entre plataforma e sensores de última geração, incluindo computadores robustecidos de alto desempenho, giro satelital, ecobatímetro, GPS, AIS, display multi-função, rádio MESH IP, switch CISCO, servidor NMEA, câmera InfraRed PTZ, dentre outros relevantes.

2.2 - Interesse Tecnológico pela Academia
A tecnologia de veículos autônomos, sejam eles aéreos, de superfície ou submarinos, está cada vez mais presente nas atividades que envolvem risco, repetição ou ambientes adversos de operação. Estas atividades não se resumem apenas às voltadas para a área de defesa, mas também setores civis como a indústria offshore (inspeção de linhas de fundo e estruturas de plataformas), transportes e logística de bens, localização de objetos no fundo e levantamentos batimétricos. A dualidade tecnológica deste segmento, assim como o grau de inovação que o mesmo representa, ajudaram a incentivar muitas pesquisas e grupos de atividades relacionados ao emprego de veículos autônomos, que por ser um sistema multidisciplinar, acaba reunindo alunos de graduação, mestrado ou doutorado de diversas áreas em torno de um mesmo projeto. Infelizmente, a concretização e implementação de algoritmos de controle, ou realização de experimentos com plataformas em escala real para estes pesquisadores se torna muito complexa e pouco comum no ambiente universitário pois requerem equipamentos muito caros e de difícil complexidade de operação, principalmente os marítimos que requerem grande estrutura logística.

2.3 - Interesse Acadêmico pela MB
Nos últimos anos houve aumento significativo de orientações acadêmicas para trabalhos nos diferentes níveis (graduação, aperfeiçoamento, capacitação, etc) que envolveram o tema “veículos autônomos” em cursos de Oficiais e Servidores Civis da MB. Em especial atenção, destacamos o curso como a graduação de Engenheiros Navais na Poli-USP que conta com a orientação técnica da DEN e acadêmica do Professor Eduardo Tannuri, onde nos últimos anos oficiais da MB escolheram temas de projeto relacionados a embarcações autônomas. O grupo de pesquisa do Prof. Tannuri destaca-se a nível internacional no desenvolvimento de algoritmos de controle para este tipo de embarcação e nossos Oficiais-Alunos lamentam-se por não dispor de um laboratório flutuante onde possam testar e experimentar suas produções científicas, ficando limitados ao mero uso da simulação computacional para prova de conceito. É inegável que o mesmo também ocorra em universidades no Rio de Janeiro, como a PUC, UFRJ e UFF, e a mentalidade marítima de nossa comunidade científica acaba sendo prejudicada neste segmento tão importante e ainda desconhecido por muitos, dentro e fora da MB. Veículos autônomos marítimos são verdadeiros Hubs de ciência e tecnologia, embarcando pesquisas e soluções proveninentes de múltiplas áreas como: hidrodinâmica; mecatrônica; controle a automação; inteligência artificial; modelagem e simulação; oceanografia; hidrografia; meteorologia;
Torna-se importante haver um incentivo do Estado para que a disponibilização de uma estrutura laboratorial flutuante seja possível e sustentável com o viés de produção de conhecimento na área de veículos autônomos marítimos. Ressalta-se que os veículos autônomos submarinos (AUV) já estão presentes na MB através do AUV REMUS-100 do CHM, também adquirido com recursos de fomento à pesquisa e, caso não houvesse este incentivo, ainda estaríamos desconhecendo o real potencial e aplicação deste tipo de plataforma submarina em missões de coleta de dados oceanográficos, levantamentos hidrográficos, e localização de objetos no fundo.

2.4 - Normatização da Atividade Marítima com Navios Autônomos
Outro aspecto da conjuntura atual que nos leva a refletir sobre uma iniciativa de projeto voltado para embarcações autônomas é o momento global de regulação das atividades marítimas que envolvam este tipo de plataforma. Desde 2017 que o Maritime Safety Committee (MSC) da IMO decidiu incluir o problema de navios de superfície autônomos na sua agenda, demandando dos Estados Membros representantes com conhecimento de causa para as votações e consequentemente deliberações regionais pela Autoridade Marítima local. O incentivo à pesquisas neste tema, principalmente com a detenção do conhecimento laboratorial pelo qual pesquisas de terceiros passarão pelo nosso controle, torna-se um interessante mecanismo para que a formação de massa crítica pensante na problemática seja formada. Com pessoal capacitado nas tecnologias empregadas nos sistemas autônomos marítimos, torna-se viável a obtenção de especialistas técnicos que proverão assessoramento de nível adequado para a Autoridade Marítima estabelecer normas no setor. Este capital intelectual e conhecimento será extremamente útil em estudos referentes à processos de aquisição de futuras plataformas autônomas, onde diversos subsistemas e requisitos ainda desconhecidos na prática pela quase que totalidade da MB deverão ser avaliados com extrema cautela para uma boa compra ou especificação.

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3 - Plano de Trabalho

A proposta de projeto prevê um escopo de trabalho voltado para a conversão gradual de uma embarcação de superfície convencional em autônoma, ao longo de 03 (três) anos de pesquisa a um custo total de R$ 500.000,00. O projeto seria divido em fases anuais com metas bem definidas. Iniciando em 2021:

3.1 - Fase 1: Instrumentação
Nesta fase inicial a equipe do CASNAV realizará um levantamento das instituições de pesquisa interessadas em participar como parceiras da iniciativa, alavancando o debate sobre as possibilidades de trabalhos acadêmicos a serem realizados com a MB-2021 nos próximos 3 anos, inicia também o levantamento de equipamentos necessários para o serviço de conversão da lancha em autônoma, e realiza a aquisição do material e comissionamento do hardware.
Os estudos preliminares já identificaram os seguintes parceiros potenciais até o momento:
Em termos de equipamentos necessários para se estabelecer um mecanismo de controle automático na lancha, estima-se que sejam necessários investimentos da ordem de R$ 35.000,00 (USD 6.000,00) para a aquisição de um sistema secundário de comando eletro-hidráulico para o sistema de governo, sensores de feedback de ângulo de leme e aquisição de driver de controle do motor acionador da bomba hidráulica. Os demais equipamentos necessários para se estabelecer um controle remoto e autônomo para a lancha já se encontram disponíveis na mesma.

- PUC/RJ, através do laboratório de controle a automação do Centro de Pesquisa em Tecnologia de Inspeção (CPTI, Profa. Vivian Suzano);
- LabOceano/COPPE-UFRJ (Prof. Paulo de Tarso)
- USP/TPN (Prof. Eduardo Tannuri)
- UFF/IC (Prof. Esteban Clua, Prof. Raphael ,…)
- CIAW (Alunos do CAp-A, Prof. Alan, Profa. Vivian)
- Escola Naval (Grêmio de Ciência e Tecnologia)
- CIAGA (Grêmio de Ciência e Tecnologia)

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