[pt] O uso de robôs móveis para monitorar locais inacessíveis vem se tornando cada vez mais comum. Essas operações podem ser autônomas ou tripuladas e quando são feitas em terrenos irregulares é preciso garantir segurança na missão, pois muitas das vezes o resgate se torna inviável. O robô estudado nesta dissertação terá dificuldades para locomoção em certas localidades, como por exemplo: derrapagem em regiões alagadas, vencer atoleiro em regiões pantanosas e de brejos e capotagem nas regiões que apresentam aclives e declives. Diante deste quadro de problemas apresentados, garantir a estabilidade nas regiões de ladeiras é de grande valor nas operações, sejam elas tele-operadas ou autônomas. Visando contribuir para o sucesso da locomoção do robô, esta dissertação apresenta uma técnica de controle de estabilidade de um robô móvel para sensoreamento remoto em terrenos irregulares, incluindo projeto, simulação e construção de um protótipo funcional. Este controle visa garantir que as rodas do veículo não descolem do terreno, através da atuação nas forças de atrito entre as rodas e o solo variando os torques nos seus motores. / [en] The use of mobile robots to monitor non-accessible environments has become increasingly common in the recent years. These tasks can be either autonomous, remote-controlled, or passenger-operated. When performed in rough terrain, it is necessary to guarantee mission safety, since many times it is impossible to send a rescue party for recovery. The hybrid environmental robot presented in this thesis is a mobile robot that will face very challenging conditions, avoiding e.g. slippage in wet terrain, becoming trapped in muddy soil, and tipping over in regions with high slopes. Therefore, it is a challenging task to guarantee robot stability under such circumstances, either in autonomous or operated tasks. This thesis presents a stability control methodology for a mobile robot to perform remote sensing tasks in rough terrain. The model-based technique guarantees wheel-ground contact at all times, acting individually at the wheel motors to control the traction/friction forces. This work also addresses the design, simulation and construction aspects of a functional prototype of a mobile robot to validate the proposed approach.

[pt] Esta dissertação aborda conceitos interdisciplinares de Engenharia Mecânica e Engenharia de Software, com foco principal no estudo de sistemas mecânicos. Atualmente, operações de monitoração por meio de veículos autônomos se tornam cada vez mais comuns, enquanto os ambientes a que esses veículos robóticos são submetidos passam a ser cada vez mais hostis, principalmente em relação aos obstáculos e características dos terrenos. O presente trabalho introduz o desenvolvimento de um simulador dinâmico em 3D em tempo real para veículos robóticos em terrenos acidentados. Um algoritmo de interseção é desenvolvido entre um terreno 3D genérico e cada roda de um veículo. Um modelo de força de contato pneu-terreno é implementado, levando em consideração as combinações das derivas longitudinal e lateral. O modelo também inclui os efeitos de corrente contínua de motores, levando-se em consideração a interação entre a parte mecânica e a elétrica, inclusive uma aproximação contínua do modelo de atrito de LuGre, considerando as limitações de potência das baterias do sistema. O simulador também inclui equações para um controle de estabilidade 2D, levando em consideração apenas a estabilização do ângulo de arfagem (pitch) do veículo. Este trabalho propõe, além disso, um controle de estabilidade 3D utilizando um indicador de estabilidade que pode ser calculado em tempo real, baseado em uma estimativa de distribuição de forças de contato entre roda e terreno. O simulador é validado mediante comparações com soluções analíticas do comportamento longitudinal do veículo robótico. / [en] This dissertation approaches interdisciplinary concepts of Mechanical Engineering and Software Engineering, with a main focus on the study of mechanical systems. Nowadays, the task of monitoring with autonomous vehicles has become more and more common, while the environment to which those robot vehicles are exposed becomes more and more hostile, mainly in relation to the obstacles and characteristics of the terrain. The present work introduces the development of a 3D real-time dynamic simulator of robot vehicles on rough terrain. An intersection algorithm is developed between a 3D generic terrain and each wheel of a vehicle. A tire-soil contact force model is implemented, taking into consideration the combined longitudinal and lateral drifts. The model includes the effects of direct current motors, taking into consideration the interaction between mechanical and electric parts, including a continuous approximation of LuGre’s friction model, considering the power limitations of the system batteries. The simulator also includes an equation for a 2D stability control, taking into consideration only the stabilization of the pitch angle of the vehicle. This work also proposes a 3D stability control using an indicator of stability that can be calculated in real time, based on an estimated distribution of wheel-terrain contact forces. The simulator is validated through comparisons with analytic solutions of the longitudinal behavior of the robot vehicle.

[pt] Veículos autônomos são um problema recente, com aplicação em carros e motocicletas ainda nos estágios iniciais. Além das dificuldades inerentes de fazer um veículo mover-se independentemente, a motocicleta autônoma deve permanecer estável em qualquer velocidade e trajetória. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma motocicleta elétrica autônoma com sistema de instrumentação de baixo custo. Para tanto, foi analisado um modelo dinâmico de motocicleta, capaz de reproduzir o comportamento real e permitindo a implementação de estratégias de controle linear em tempo real. O controlador tem dois objetivos diferentes: manter a motocicleta estável e seguir uma trajetória desejada, de forma autônoma. Experimentos foram realizados com a motocicleta de escala reduzida com o objetivo de caracterizar seus elementos; as estratégias de controle propostas foram simuladas com o modelo dinâmico ajustado. Por fim, os algoritmos de controle são aplicados ao sistema real através de uma plataforma atuada capaz de reproduzir a dinâmica de veículos de duas rodas. O presente trabalho é uma ferramenta para o ensino de engenharia, envolvendo estudantes de diferentes níveis em torno de um problema complexo. O sistema permite uma aprendizagem contínua com dificuldade crescente, envolvendo temas como dinâmica de multicorpos; análise de resultados através de simulações de software; eletrônica e filtros na instrumentação embutida e técnicas de controle para manter o sistema estável em todos os caminhos desejados, culminando na aplicação experimental dos conceitos citados. / [en] Autonomous vehicles are an interesting and recent problem, with its application in cars and motorcycles still in its early stages. In addition to the inherent difficulties in making a vehicle move independently, the autonomous motorcycle has to be able to remain stable at any speed and trajectory. The vehicle s stability can be achieved by different solutions and control techniques. The main objective of this work is to develop an autonomous electric motorcycle with low cost sensing system. For this, a dynamic model of two-wheeled vehicles is analyzed, capable of describing the dynamic behavior while being simple enough to allow the implementation of real-time linear control strategies. The controller has two different objectives: to maintain the motorcycle stable and to follow a desired trajectory, in an autonomous way. Experiments were carried out with the small scale motorcycle aiming to characterize its elements for the theoretical model; then the proposed control strategies were simulated with the adjusted dynamic model. Finally, the control algorithms are applied to the real system through an actuated platform capable of reproducing the dynamic behavior of single-track vehicles. At last, the present work is a tool for teaching engineering, involving multilevel students around a complex, but familiar, problem. The system allows for continuous learning with increasing difficulty, involving multibody dynamics, experimental results analysis via software simulations, electronics and filters present in the embedded instrumentation and many control techniques to keep the system stable in every desired path, culminating in the experimental application of cited concepts.