Este trabalho consiste basicamente na realização do teste de uma gama de variáveis explicativas anuais, oriundas da literatura sobre crescimento econômico, para os estados brasileiros. O objeto primeiro é identificar quais delas são robustas em apresentar relação com as variações do Produto Interno Bruto (PIB) per capita, ou seja, quais se mantêm significativas quando testadas junto a diferentes conjuntos de outras variáveis explicativas. O período analisado compreende os anos de 1986 a 2002. Resende e Figueiredo1 realizaram esse mesmo trabalho utilizando dados decenais entre 1960 e 2000. Assim, um segundo objetivo é comparar os resultados de longo prazo, obtido por Resende e Figueiredo, com os de curto prazo. Para tanto, empregou-se o teste de robustez proposto por Levine e Renelt2, o Extreme Bounds Analysis (EBA), e o teste desenvolvido por Sala-i-Martin3, que argumenta que, em vez de analisar os extremos das estimativas dos coeficientes de uma variável específica, é necessário fazer a análise de toda a distribuição desses coeficientes.Com base nos testes efetuados, conclui-se que, no curto prazo, atividade agrícola, setor de serviços e água encanada têm correlação robusta com as taxas de crescimento do PIB per capita; apesar da atividade agrícola se revelar o fator de maior relação com o crescimento econômico no curto prazo, os dados não demonstraram nenhuma robustez no longo. Quanto à ocorrência de convergência condicional dos PIBs per capita estaduais, esta se confirmou tanto para o curto quanto para o longo prazo. Por outro lado, mortalidade infantil, fecundidade e carga tributária apresentam correlação robusta com as taxas de crescimento do PIB per capita somente no longo prazo. A taxa de urbanização demonstra correlação positiva no curto prazo, mas negativa no longo. / The present work basically consists of examination of a set of explanatory annual variables, whose sort derived from Economic Growth literature, to the Brazilian states. The prime aim is to identify which of those variables presents robust correlation with the per capita Gross Domestic Product (GDP) rates, researching the 1986 to 2002 period. Resende e Figueiredo have done the same work with decennial data between 1960 and 2000. In this way, another aim is comparing those long term results with the short one. In order to do that, one applied the Extreme Bounds Analysis (EBA) test proposed by Levine and Renelt, as well as the test developed by Sala-i-Martin, who argued it is necessary to analyze which and all coefficients, instead of to the extremes only. Based in those tests, one concludes that the variables which present robust correlations with the per capita GDP rates in the short term are farming and service sectors as well canalized water. Although the farming was revealed the main factor of growth in the short term, it did not presented robustness at all in the long term. In the other hand, babyish mortality rate, fertility rate and tax burden presented robust correlation only in the long term. The urban rate showed positive robust correlation in the short term, despite of negative one in the long term.

Câmeras embarcadas em sistemas robóticos móveis com sensoriamento visual geralmente são afetadas pelo movimento de seu suporte quando é necessária a aquisição de imagens com alta confiabilidade. Algumas câmeras disponíveis no mercado já estão equipadas com sistemas de estabilização de imagens, implementados nas lentes da câmera ou no sensor de imagem. Esses sistemas são relativamente caros para serem instalados em sistemas robóticos móveis aéreos ou terrestres de pequeno porte. Outro conceito que tem sido utilizado para alcançar a estabilização consiste em adotar sensores inerciais, algoritmos de visão computacional e aplicação de filtros digitais para estimativa e suavização de movimento. Esta dissertação tem por finalidade apresentar um sistema de estabilização digital de vídeo em conjunto com um acelerômetro para detectar movimentos da câmera. Considera-se que a câmera está instalada sobre plataforma instável ou em veículo em movimento, assim, utiliza-se filtragem robusta para minimizar o efeito da vibração sobre a câmera. Vários experimentos são realizados adicionando vibração em vídeo por meio de simulações em computador. Considera-se também experimentos em ambiente real com a câmera montada em um suporte dentro de um veículo em movimento. A principal contribuição deste trabalho é a realização de um estudo comparativo para analisar a vantagem de se usar uma abordagem robusta entre os métodos de filtragem comumente utilizados em sistemas de estabilização de vídeo. / Embedded cameras in robotic systems usually are susceptible to movements of your basis. The measurements can be affected mainly when they should obtain high performance in actual applications. Although some cameras available on the market are already equipped with an optical image stabilization system, implemented either in the camera lenses or in the image sensor. They are usually expensive to be installed into small aerial or land robotic systems. This dissertation presents a video stabilization system coupled with an accelerometer for motion detection at an unstable platform. It is embedded in a vehicle. Robust filtering is used to minimize vibration effects on the camera. Several experiments were performed, adding either vibrations via computer simulations and taking images from the camera with the vehicle moving. The main contribution of this work is the accomplishment of a comparative study to analyse the advantages of applying a robust approach among others filtering methods that frequently are used to video stabilizing systems.

Path following and lateral stability are crucial issues for autonomous vehicles. Moreover, these problems increase in complexity when handling heavy-duty vehicles due to their poor manoeuvrability, large sizes and mass variation. In addition, uncertainties on mass may have the potential to significantly decrease the performance of the system, even to the point of destabilising it. These parametric variations must be taken into account during the design of the controller. However, robust control techniques usually require offline adjustment of auxiliary tuning parameters, which is not practical and leads to sub-optimal operation. Hence, this work presents an approach to path-following and lateral control for autonomous heavy-duty vehicles subject to parametric uncertainties by using a robust recursive regulator. The main advantage of the proposed controller is that it does not depend on the offline adjustment of tuning parameters. Parametric uncertainties were assumed to be on the payload, and an H∞ controller was used for performance comparison in simulations. The performance of both controllers is evaluated in a double lane-change manoeuvre. Simulation results showed that the proposed method had better performance in terms of robustness, lateral stability, driving smoothness and safety, which demonstrates that it is a very promising control technique for practical applications. Ultimately, experiment tests in a rigid heavy-duty truck validate what was found in simulation results. / O seguimento de caminho e a estabilidade lateral são questões cruciais para veículos autônomos. Além disso, devido à baixa capacidade de manobra, tamanho e grande variação de massa, estes problemas se tornam mais complexos quando se trata de veículos pesados. Adicionalmente, as incertezas na massa têm o potencial de diminuir significativamente o desempenho do sistema, chegando ao ponto de desestabilizá-lo, assim, essas variações paramétricas devem ser consideradas durante o projeto do controlador. No entanto, as técnicas de controle robusto geralmente exigem o ajuste off-line de parâmetros auxiliares do controlador, o que não é prático e lava a uma operação sub-ótima. Assim, este trabalho apresenta uma abordagem de controle de seguimento de caminho e controle lateral para veículos pesados autônomos sujeitos a incertezas paramétricas usando um regulador robusto recursivo. A principal vantagem deste controlador é que ele não depende do ajuste off-line de parâmetros. Assumiu-se que as incertezas paramétricas estavam na carga do veículo, e um controlador H∞ foi usado para comparar o desempenho em simulação. O desempenho de ambos os controladores é avaliado em uma manobra de mudança de faixa. Os resultados de simulação mostraram que o método proposto apresentou melhor desempenho em termos de robustez, estabilidade lateral, suavidade na condução e segurança, o que o demonstra como uma técnica de controle bastante promissora para aplicações práticas. Por fim, testes experimentais em um caminhão rígido reforçam os resultados obtidos em simulação.

Este trabalho discute o projeto de compensadores multivariáveis robustos com especificações no domínio do tempo. Primeiramente faz-se a análise dos compensadores por observadores de estados como forma de atingir tais objetivos. Mostra-se que, em certas condições, essa estrutura equivale à dos observadores proporcionais-integrais e apresentam-se as condições de estabilidade nominal. Evidencia-se também que é possível tratar esse problema de controle como um problema de "model matching" ou como um problema de controle com dois graus de liberdade. Mostra-se também que o projeto do compensador é equivalente ao projeto de sistemas de controle por realimentação estática da saída. Essa equivalência implica que, embora os compensadores por observadores sejam cômodos à incorporação de especificações temporais, sua estrutura é limitada para garantir que especificações gerais sejam satisfeitas. Contorna-se então essa limitação estendendo-se o estudo ao caso dos compensadores sem essa restrição estrutural. O problema de "model matching" e o problema de controle 2D são considerados como forma indireta de incorporar-se as especificações temporais e condições de projeto são obtidas reduzindo-se os possíveis conservadorismos dos projetos usuais. Ainda neste sentido, formula-se o problema denominado de "model tracking", podendo ser capaz de reduzir ainda mais esses aspectos de conservadorismo. Nessa estrutura, o erro de rastreamento entre a saída do modelo de referência e a saída medida da planta é realimentado, fazendo com que o modelo de referência faça parte explícita do controlador, permitindo ajuste pós-projeto da mesma forma que faz com a estrutura 2D. Toda as condições de projeto são obtidas no domínio da freqüência, em termos de restrições da malha aberta e da malha fechada, permitindo que técnicas padrões de projeto multivariável como LQG/LTR e H¥ possam ser diretamente utilizadas na obtenção do compensador. Obtiveram-se assim metodologias de projeto capazes de garantir robustamente a rejeição do erro de rastreamento de um modelo de referência, além de permitir que especificações usuais como a rejeição dos erros de medida e rejeição dos distúrbios sejam incorporadas no mesmo procedimento de projeto. O controle de um tanque de mistura é usado como exemplo numérico para ilustrar as metodologias de projeto. / This work is concerned with the design of robust multivariable controllers with time domain specifications. As a first step an analysis of controllers based on state observers has been done. It has been shown that this structure is equivalent to the proportional-integral observers. The conditions for nominal stability have then been presented. It has also been shown that this control problem can be seen as a model matching control design with two degrees of freedom. Furthermore it has been shown that compensator design can be reduced to the traditional static output feedback problem. This fact implies that although compensators based on state observers seem to be suitable to deal with time domain specifications, their structure has limitations to guarantee that more general specifications be satisfied. In order to overcome such limitations both the model matching and the 2-D control structures have been considered to include time domain specifications in the design problem. Design conditions have been derived in order to reduce the eventual conservatism associated to the usual design procedure. A control design problem named model tracking has also been formulated with the aim of reducing even more such conservatism. In this new structure the tracking error between the output of the reference model and the measured plant output is fed back. The reference model is then an explicit part of the controller. As a consequence small adjustments can be done on it during system start-up in the same way as with the 2-D structure. All the design conditions have been written in the frequency domain as constraints on both open-loop and closed-loop transfer matrices. Standard multivariable design techniques like LQG/LTR and H¥ can then be used. The proposed design methodology can robustly guarantee tracking of the reference model output as well as both measurement error and disturbance rejections. The control of a mixture tank has been used as a numeric example to illustrate the design methodologies.

La conception des structures multi-échelle s’appuie sur des modélisations expérimentales et prédictives. Pour accéder à des niveaux de précision élevés, ces modélisations reposent sur des campagnes expérimentales nombreuses et des développements prédictifs sophistiqués analytiques ou numériques qui intègrent des connaissances sur les paramètres d’intérêt. L’intégration de connaissances diminue l’incertitude sur les grandeurs d’intérêt et impacte de façon significative le coût de modélisation des structures multi-échelle, facteur majeur du coût de conception. Le concepteur doit alors être en mesure de maîtriser la pertinence de l’intégration de connaissances pour la prédiction des grandeurs d’intérêt et son impact sur le coût de modélisation. Les recherches menées sont structurées autour du développement d’une méthodologie d’aide à la conception sous incertitudes permettant au concepteur de choisir des combinaisons de modèles prédictifs et expérimentaux, appelées chemins de modélisation, présentant des compromis différents entre le coût de modélisation et l’incertitude sur les paramètres d’intérêt. Le travail se base sur une représentation pyramidale des modélisations expérimentales et prédictives. Les incertitudes aléatoires et épistémiques liées aux matériaux, aux modèles ainsi qu’aux tolérances géométriques sont agrégées et propagées dans la pyramide jusqu’aux grandeurs d’intérêt de la structure. Une méthode adaptative d’estimation du coût de modélisation, basée sur la logique floue, a été proposée. Le problème multi objectif visant à minimiser les incertitudes sur les paramètres d’intérêt et le coût de modélisation est résolu au moyen d’un algorithme « NSGA-II » permettant l’identification de chemins optimisés robustes. Les travaux sont appliqués au cas d’un réservoir composite épais destiné au stockage d’hydrogène. La méthodologie proposée démontre qu’il est possible de rationaliser les modélisations expérimentales et prédictives menées pour obtenir la pression d’éclatement du réservoir avec une précision maîtrisée. Dans un second temps, la méthodologie est utilisée pour obtenir des solutions de reconception sur des réservoirs présentant des volumes plus importants ou plus faibles et atteignant des pressions cibles différentes. Les chemins de modélisations robustes obtenus délivrent des solutions de dimensionnement adaptées aux exigences de reconception présentant un coût de modélisation et un niveau d’incertitude maitrisés. / The design of multi-scale structures is based on predictive and experimental modelling. To achieve a high level of precision, modelling rest on a high number of experimental tests and sophisticated analytical and numerical developments integrating all possible knowledge about the quantity of interest. Adding knowledge into models diminishes the uncertainty on quantities of interest and significantly impacts the cost of modelling, a high impact factor on the design cost. The designer must be able to control the suitability of the integration of knowledge into the prediction of quantities of interest and its impact on the cost of modelling. The research carried out in this work is structured around the development of a methodology of assistance to the design under uncertainties allowing the designer to choose combinations between several predictive and experimental models, called modelling paths, presenting different compromises between the cost of modelling and the uncertainty on quantities of interest. The work is based on a pyramidal representation of experimental and predictive modelling. Random and epistemic uncertainties related to materials, models and geometrical tolerances are aggregated and propagated in the pyramid up to the quantities of interest of the structure. An adaptive method based on fuzzy logics for estimating the cost of modelling has been proposed. The multi objective problem aiming to minimizing the uncertainties on the quantities of interest and the cost of modelling is solved by means of the « NSGA-II » genetic algorithm, allowing to identify robust optimized modelling paths. This methodology is applied to a thick composite vessel for hydrogen storage. The proposed methodology demonstrates the possibility of rationalization of experimental and predictive models carried out to obtain the burst pressure of the vessel with a controlled precision. In a second step, the methodology is used to redesign the vessel considering larger or smaller volumes and with different burst pressure targets. Robust modelling paths obtained deliver design solutions adapted to the redesign requirements with a controlled modelling cost and a managed level of uncertainty.

Optimal surface finding (OSF), a graph-based optimization approach to image segmentation, represents a powerful framework for medical image segmentation and analysis. In many applications, a pre-segmentation is required to enable OSF graph construction. Also, the cost function design is critical for the success of OSF. In this thesis, two issues in the context of OSF segmentation are addressed. First, a robust model-based segmentation method suitable for OSF initialization is introduced. Second, an OSF-based segmentation refinement approach is presented. For segmenting complex anatomical structures (e.g., lungs), a rough initial segmentation is required to apply an OSF-based approach. For this purpose, a novel robust active shape model (RASM) is presented. The RASM matching in combination with OSF is investigated in the context of segmenting lungs with large lung cancer masses in 3D CT scans. The robustness and effectiveness of this approach is demonstrated on 30 lung scans containing 20 normal lungs and 40 diseased lungs where conventional segmentation methods frequently fail to deliver usable results. The developed RASM approach is generally applicable and suitable for large organs/structures. While providing high levels of performance in most cases, OSF-based approaches may fail in a local region in the presence of pathology or other local challenges. A new (generic) interactive refinement approach for correcting local segmentation errors based on the OSF segmentation framework is proposed. Following the automated segmentation, the user can inspect the result and correct local or regional segmentation inaccuracies by (iteratively) providing clues regarding the location of the correct surface. This expert information is utilized to modify the previously calculated cost function, locally re-optimizing the underlying modified graph without a need to start the new optimization from scratch. For refinement, a hybrid desktop/virtual reality user interface based on stereoscopic visualization technology and advanced interaction techniques is utilized for efficient interaction with the segmentations (surfaces). The proposed generic interactive refinement method is adapted to three applications. First, two refinement tools for 3D lung segmentation are proposed, and the performance is assessed on 30 test cases from 18 CT lung scans. Second, in a feasibility study, the approach is expanded to 4D OSF-based lung segmentation refinement and an assessment of performance is provided. Finally, a dual-surface OSF-based intravascular ultrasound (IVUS) image segmentation framework is introduced, application specific segmentation refinement methods are developed, and an evaluation on 41 test cases is presented. As demonstrated by experiments, OSF-based segmentation refinement is a promising approach to address challenges in medical image segmentation.

Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans un projet de thermométrie cardiaque par IRM. L’objectif de cette approche est de monitorer en temps réel le traitement des arythmies cardiaques par ablation thermique. Dans la chaine de traitement utilisée, des méthodes de recalage d’images doivent être implémentées afin d’assurer un suivi exploitable de l’ablation. En effet, les mouvements des différents organes localisés dans la (les) coupe(s) d’imagerie ont un impact sur la précision de la thermométrie IRM. Les méthodes d’estimation de mouvement doivent cependant être robustes aux différents artefacts (faible SNR, flux sanguin dans les cavités cardiaques, etc.) et utilisables en pseudo temps réel (10 images/seconde). Les travaux présentés dans ce manuscrit se concentrent sur la robustesse des méthodes de recalage d’images. Tout d’abord, le bruit inhérent aux images IRM a été intégré à l’estimation de mouvement. Ceci permet de pondérer localement les voxels de l’image dans le calcul du déplacement. Ensuite, une annulation numérique du signal chaotique du sang à l’intérieur du ventricule gauche est proposée via une segmentation semi-automatique de celuici à base de modèle déformable. Un nouveau terme, issu de la probabilité d’appartenir à ce ventricule, a été ajouté dans l’algorithme de contour actif. Les méthodes proposées apportent une amélioration de la qualité de l’estimation du mouvement. Elles sont adaptées à la chaine de traitement de thermométrie afin de les rendre automatiques dans la phase d’ablation thermique de la procédure. De plus, ces méthodes répondent aux contraintes de temps réel de la thermométrie IRM / The works presented in the manuscript are incorporated within the framework of cardiac MR thermometry. The aim of this approach is to monitor in real time the treatment of arrhy²thmias by thermal ablation. In the pipeline used in thermometry, image registration methods have to be inserted to unsure a reliable monitoring of the treatment. Indeed, motions of the different organs present in the acquisition slices have an impact on the accuracy of the MR thermometry. Furthermore, image registration has to be robust to artefacts (low SNR, blood flow in the heart cavities…) and has to be used in real time (10 images/second). The works presented in this manuscript focuses on the robustness of the image registration methods. First, the MR images inherent noise is integrated to the motion estimation. It enables the local weighting of the image’s voxels in the computing of the displacement. Then, a numerical cancelation of the chaotic blood flow signal within the left ventricle through a semi-automatic segmentation is proposed. A new term based on the probability to belong to this ventricle is added to the active contour algorithm. The proposed methods improved the quality of the motion estimation. They are adapted to the thermometry pipeline to make them automatic in the thermal ablation phase of the procedure. They are also compatible with the real-time aspect of MR thermometry.

[pt] Black e Litterman propuseram um modelo de otimização de portfólio que combina visões do investidor sobre retornos esperados de ativos com o equilíbrio neutro de mercado. No entanto, especificar visões sobre uma carteira de investimentos é uma tarefa difícil, especialmente quando os investidores têm opiniões conflitantes sobre o mesmo ativo. Neste trabalho, é proposto uma nova formulação para otimização de carteiras, que é robusta diferentes à visões do investidor. A nossa abordagem foi testada em dados sintéticos e dados reais disponíveis em uma plataforma do Banco Central do Brasil. Esta plataforma consolida projeções macroeconômicas de mais de uma centena de analistas profissionais e disponibiliza para o mercado numa base semanal. Por fim, é comparado o desempenho desta formulação robusta com o modelo Black-Litterman tradicional frequentemente utilizado na indústria financeira. Os resultados mostram que a metodologia robusta pode providenciar melhor desempenho ajustado ao risco em comparação com o modelo orignial e são menos sensíveis às visões do investor. / [en] Black and Litterman proposed a portfolio optimization model that combines investor s views on future asset s returns with neutral market equilibrium. However, specifying portfolio views is a challenging task, specially when investors have conflicting opinions on the same asset. In this thesis, we suggest a new portfolio optimization formulation that is robust for investor s views. Our approach was tested on synthetic and real data available on a framework developed by Central Bank of Brazil. This online framework collects projections on main macroeconomics variables from more than a hundred professional forecasters and provides public online access on a weekly basis. The performance of this new robust formulation is compared with the traditional Black-Litterman model. The result show that our robust methodology can provide better risk adjusted performance compared to the orignial model and are less sensitive to incorrect inverstor views.

Resumo: Este trabalho tem como propósito utilizar técnicas de controle robusto para atenuação ativa de vibração mecânica em estruturas acopladas a atuadores e sensores piezelétricos. Os controladores são projetados segundo o enfoque de otimização convexa, com os requisitos envolvendo desigualdades matriciais lineares (LMIs). A proposta é ilustrar duas sínteses diferentes de realimentação via LMIs. A primeira é o projeto de controladores por realimentação de estados, estimados por um observador, considerando incertezas paramétricas do tipo politópicas. A segunda metodologia é baseada no controle H8 via realimentação do sinal de saída, considerando incertezas dinâmicas limitadas por norma. Os sensores/atuadores são posicionados em pontos ótimos utilizando-se a norma H8 como índice de desempenho. Os modelos matemáticos utilizados na síntese dos controladores foram obtidos a partir do método dos elementos finitos considerando o acoplamento eletromecânico entre os atuadores/sensores e a estrutura base ou a partir de métodos de identificação. Neste contexto, este trabalho também discute e exemplifica o algoritmo de realização de autosistemas (ERA). Três exemplos são solucionados para exemplificar a metodologia implementada: uma estrutura tipo placa, uma viga engastada-livre e a supressão ativa de flutter em um aerofólio 2-D, problema de grande interesse na indústria aeronáutica. Os resultados mostraram uma significante atenuação da vibração estrutural na faixa de freqüência de interesse e o atendimento dos requisitos impostos na fase de projeto. / Abstract: The proposal of this work is to use robust control techniques in order to suppress mechanical vibration in structures with pieozoelectric sensors and actuators coupled. The controllers are designed by convex optimization and the constraints are dealt through linear matrix inequalities (LMIs) frameworks. Two different methodologies to feedback the system by using LMIs are explained. The first one is the observer-based state-feedback considering polytopic uncertainties. The second one is the H output feedback control considering norm-bound uncertainties. The sensors/actuators are located in optimal placements by using H norm as performance index. The mathematical models used in the controller design were obtained by finite element methods considering eletromechanical effects between the host structure and piezoelectric sensors/actuators patches or by using identification methods. In this sense, it is also discussed the eigensystem realization algorithm (ERA). Three different applications are proposed and solved in order to illustrate the applicability of the methodology: a cantilever plate; a cantilever beam; and an active flutter suppression in a 2-D airfoil, a problem of considered interest in the aeronautic industry. The results showed the vibration suppression in the bandwidth of interest when submited to the requirements imposed by practical situations. / Orientador: Vicente Lopes Junior / Coorientador: Edvaldo Assunção / Banca: Vicente Lopes Junior / Banca: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: Edilson Hiroshi Tamai / Mestre

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