[pt] O crescente uso de veículos aéreos não tripulados (VANTs) em diversos setores da sociedade é fruto de avanços da tecnologia. Por sua vez, a ampliação de aplicações de VANTs traz consigo a necessidade de aumento de robustez destes sistemas, especialmente em ambientes compartilhados com o ser humano. A presente dissertação aborda o desenvolvimento de uma plataforma para testes de veículos multicópteros, com o objetivo de contribuir para o processo de desenvolvimento e implementação de drones, permitindo sua movimentação em torno dos seus graus de liberdade de rotação e realizando medições de atitude e força geradas pelo sistema, sem colocar o veículo ou seu operador em risco. Todos os dados adquiridos pela plataforma são transmitidos para um computador, onde foi desenvolvida uma interface virtual para sua visualização em tempo real, além de permitir armazenamento para pós-processamento e análises futuras. Também apresenta-se e discute-se o desenvolvimento do simulador de trajetórias proposto, que mostra o deslocamento do veículo em função da sequência de comandos fornecida, com base nos dados adquiridos pela plataforma. No intuito de se propiciar um melhor entendimento do funcionamento do sistema aqui desenvolvido, é apresentado um estudo detalhado dos subsistemas que compõem um multicóptero, bem como do processo de modelagem dinâmica de um veículo quadricóptero, por meio da técnica de grafos de ligação. A modelagem do veículo é complementada com a identificação de parâmetros fundamentais para a implementação do modelo, sendo discutidos métodos para identificação de parâmetros inerciais do veículo e parâmetros dinâmicos do sistema motopropulsor. / [en] The growing use of unmanned aerial vehicles (UAVs) in various sectors of society is a result of advances in technology. In turn, the expansion of UAV applications brings with it the need to increase the robustness of these systems, especially in environments shared with humans. and comes together with the need for increased robustness due to its use in shared environments with humans. This dissertation approaches the development of a platform for testing multicopter vehicles aiming at assisting the process of developing and implementing drones, allowing movements around their rotational degrees of freedom and making measurements of attitude and forces generated by the system, without putting the vehicle or its operator at risk. All data acquired by the platform is transmitted to a computer, where a virtual interface was developed to provide real time visualization, in addition to allowing data storage for post-processing and future analysis. The development of the proposed trajectory simulator is also presented and discussed, that shows the displacement of the vehicle as a function of the sequence of commands provided, based on the acquired data. Aiming at allowing a better understanding of the functioning of the developed system, a detailed study of the subsystems that compose a multicopter is presented, as well as the process of dynamic modeling of a quadcopter vehicle, by using bond graph technique. The modeling of the vehicle is complemented with the identification of fundamental parameters for the model implementation, such as methods for the identification of inertial parameters of the vehicle and dynamics of the powertrain system.

[pt] Neste trabalho empregou-se a técnica de redes neurais artificiais e modelos de Box & Jenkins (1970) para análise, modelagem e previsão dos valores de vazão e de cargas de pressão na barragem Corumbá I, do sistema Furnas Centrais Elétricas, a partir dos dados de instrumentação disponíveis desde 1997. A previsão de valores prováveis pode auxiliar em tomadas de decisão durante a operação da barragem. A utilização de métodos estatísticos e de redes neurais artificiais é especialmente recomendado em situações onde a solução através de métodos determinísticos, analíticos ou numéricos, torna-se difícil por envolver modelagens tridimensionais, com condições de contorno complexas e incertezas na variação espacial e temporal das propriedades dos materiais que constituem a barragem e sua fundação. Tradicionalmente, as análises de séries temporais são normalmente abordadas sob a perspectiva de métodos estatísticos, como os modelos de Box & Jenkins. No entanto, redes neurais artificiais têm-se constituído ultimamente em uma alternativa atraente para investigações de séries temporais por sua capacidade de análise de problemas de natureza não-linear e não-estacionários. Neste trabalho são apresentadas três aplicações envolvendo o comportamento da barragem Corumbá I: previsão das vazões através da fundação junto à ombreira esquerda, previsão das cargas de pressão em piezômetros instalados no núcleo central da barragem e no solo residual de fundação e, finalmente, a previsão dos valores das leituras em um piezômetro supostamente danificado em determinado instante de tempo. Em todos estes casos, os resultados obtidos pelos modelos de Box & Jenkins e redes neurais artificiais foram bastante satisfatórios. / [en] In this work, artificial neural networks and the Box & Jenkins models (1970) were used for analysis, modeling and forecasts of water discharges and pressure head development in the Corumbá-I dam, owned by Furnas Centrais Elétricas, from the instrumentation data recorded since 1997. Prediction of the probable values can be a powerful tool for early detection of abnormal conditions during the dam operation. The use of statistical methods and artificial neural network techniques are specially recommend in situations where a solution with a deterministic approach, analytical or numerical, is difficult for involving three- dimensional modeling, complex boundary conditions and uncertainty with respect to the spatial and temporal variation of the material properties of the dam and its foundation. Time series analyses are traditionally carried out using a statistical approach, such as the Box & Jenkins models. However, artificial neural networks have become in the recent years an attractive alternative for time series problems due to their inherent ability to analyze nonlinear and non-stationary phenomena. Three applications of time series analysis, related to the instrumentation data collected from Corumba-I dam, are presented and discussed in this thesis: forecast of water discharges through the foundation near the dam left abutment, prediction of pressure heads in piezometers installed in the impermeable central core and the residual soil foundation and, finally, prediction of the pressure heads that would be read in a piezometer that, at a given instant of time, stops working being supposedly damaged. In all these cases, the results obtained from the Box & Jenkins models as well as the artificial neural networks are quite satisfactory.

[pt] Esta Tese teve por objetivo desenvolver um magnetômetro de alta sensibilidade, baseado nas características de fase do efeito da Magnetoimpedância Gigante (GMI – Giant Magnetoimpedance), para medição de campos magnéticos ultra-fracos. Elementos sensores GMI apresentam grande potencial na fabricação de magnetômetros que conciliem alta sensibilidade e elevada resolução espacial com baixo custo. A otimização da sensibilidade do transdutor magnético é diretamente afetada pela sensibilidade de seus elementos sensores GMI, cuja maximização é um processo intrinsecamente multivariável. Consequentemente, a metodologia experimental empregada iniciou-se pelo desenvolvimento de um sistema automático de caracterização das amostras GMI, de modo a se garantir a agilidade do processo de caracterização, possibilitando a obtenção de um volume significativo de informações experimentais. A análise minuciosa dos dados provenientes das medições experimentais permitiu a definição do ponto ótimo de operação das amostras GMI estudadas. Em todas as medições experimentais realizadas foram obtidas e avaliadas as curvas de histerese das amostras GMI. Na sequência, foram idealizados circuitos eletrônicos para condicionamento das amostras GMI e leitura das características de fase de sua impedância, destacandose a configuração eletrônica desenvolvida para a amplificação da sensibilidade de fase. Foram, inclusive, depositadas patentes nacionais e internacionais referentes ao método proposto e ao novo transdutor magnético GMI (PI 0902770-0; PI 1004686-0; WO/2010/094096 e WO/2012/048395). As caracterizações e ensaios experimentais realizados indicaram a eficácia da abordagem proposta, evidenciando o grande potencial do magnetômetro GMI desenvolvido, o qual apresentou uma elevada sensibilidade de 5 mV/nT. A resolução do magnetômetro foi limitada pelo ruído magnético ambiental, indicando que sua capacidade de medição de campos inferiores aos níveis de ruído poderá ser claramente evidenciada quando for avaliada em ambiente magneticamente blindado. Os estudos teórico-experimentais realizados indicam o potencial do transdutor magnético GMI desenvolvido, caracterizado por seu baixo custo e elevada sensibilidade, para aplicação na medição de campos magnéticos ultra-fracos. / [en] This Thesis aimed at developing a high sensitivity magnetometer, based on the phase characteristics of the Giant Magnetoimpedance effect (GMI), for measuring ultra-weak magnetic fields. GMI sensor elements have great potential to implement magnetometers that combine high sensitivity and high spatial resolution with low cost. The optimization of the magnetic transducer sensitivity is directly affected by the sensitivity of its GMI sensor elements, whose maximization is inherently multivariate. Consequently, the first step of the experimental methodology employed was to develop an automatic system for the characterization of GMI samples, so as to ensure the agility of the characterization process, allowing the gathering of a significant amount of experimental data. A thorough analysis of the experimental data led to the definition of the optimal operation point of the analyzed GMI samples. The hysteresis curves of the GMI samples were obtained and evaluated, in all of the performed experimental measurements. Based on the characterization studies results, electronic circuits were designed for conditioning the GMI samples and reading their impedance phase characteristics, highlighting the new electronic configuration developed for enhancing the phase sensitivity. National and international patents were filed, related to the proposed method, for sensitivity enhancement, and to the new GMI magnetometer (PI 0902770-0; PI 1004686-0; WO/2010/094096 e WO/2012/048395). The performed experimental characterizations and assays indicated the effectiveness of the proposed approach, showing the great potential of the developed GMI magnetometer, which presents a high sensitivity of 5 mV/nT. The magnetometer resolution was limited by the environmental magnetic noise, pointing out their capability in measuring fields below the environmental noise level, which can be clearly evidenced only when evaluated in a magnetically shielded room. The theoretical and experimental studies carried out indicate the potential of the developed GMI magnetic transducer, characterized by its low cost and high sensitivity, for applications involving the measurement of ultra-weak magnetic fields.

[pt] A construção de Barragens de Enrocamento no Brasil tem se desenvolvido nas últimas décadas, por ser uma solução adequada para regiões onde há falta de solos finos e grande volume de escavações obrigatórias em rocha. Este desenvolvimento está relacionado tanto à quantidade de barragens construídas quanto ao incremento da altura das mesmas. A construção de protótipos de instrumentos para medição de deslocamentos neste tipo de barragem é de fundamental importância. Com a simulação das leituras em laboratório, torna-se possível implementar modificações no projeto, na construção, na instalação e na operação destes instrumentos, disponibilizando-se leituras mais acuradas e precisas, obtendo-se maior confiabilidade nos dados e, assim, informações mais consistentes sobre o comportamento das barragens. Além da elaboração de uma abrangente revisão bibliográfica sobre instrumentação geotécnica, foram estudados dois protótipos de instrumentos de medidas de deslocamento, Medidor Hidrostático de Recalques e Extensômetro Horizontal de Hastes Múltiplas. Ambos desenvolvidos no Laboratório de Engenharia Civil de Furnas, em Aparecida de Goiânia, estado de Goiás. Os resultados obtidos permitirão modificações na construção e instalação destes instrumentos. / [en] The number and height of rockfill dams in Brazil has been steadily growing, because rockfills constitute an adequate solution when the project requires a large volume of rock excavation and there is a lack of fine grained soils in the region. The development of new equipment for measuring displacements in these dams is of fundamental importance. Testing prototypes in the laboratory, under simulated field conditions, allows the researcher to implement modifications in the design characteristics and installation procedures for the instrument. As a result, measurements with higher accuracy and reliability are obtained and, consequently, higher safety for the dams. A comprehensive review of the literature on geotechnical instrumentation is presented. Two prototypes of displacement measuring devices have been studied and tested: a hydrostatic displacement cell and a multiple rods horizontal extensometer. Both were constructed and tested in the Civil Engineering Laboratory of Furnas, in Goiás, Brazil. The results and conclusions obtained will result in important modifications in the design and installation details of these instruments.

[pt] um depósito de solos muito moles da Barra da Tijuca (Baixada de Jacarepaguá), que pertence a uma planície costeira do Rio de Janeiro (RJ). O perfil de solos muito moles de fundação possuía até 17 m de espessura, caracterizados pelo Nspt igual a 0. O aterro foi construído em etapas e os recalques foram acelerados com a instalação de drenos verticais pré-fabricados na fundação. A construção do aterro durou cerca de 1,5 ano e foi monitorada por meio de instrumentação geotécnica. Campanhas de ensaios de campo e laboratório foram realizadas para determinação das características geotécnicas dos solos. Dez amostras foram coletadas em dois furos verticais de duas localidades virgens do depósito. Para evitar o amolgamento, cada etapa do processo de amostragem, desde a coleta até a moldagem dos corpos de prova, foi conduzida tomando-se cuidados especiais. Os corpos de prova foram moldados nas condições indeformada (horizontal e vertical) e completamente amolgada. Os procedimentos de moldagem dos corpos de prova foram associados à excelente qualidade da maioria dos corpos de prova moldados e por isso foram descritos detalhadamente. Todas as conclusões do trabalho levaram em consideração apenas os resultados dos ensaios realizados com corpos de prova considerados de excelente qualidade. Os ensaios de campo foram realizados em furos adjacentes aos furos onde foram coletadas as amostras indeformadas e na mesma região em que foram instalados grupos de instrumentos geotécnicos. A análise dos resultados dos ensaios de campo e laboratório e dos registros da instrumentação revela a existência de dois horizontes de solos muito moles que exibem características distintas e são separados por uma lente de areia contínua. O solo do horizonte superior (até 5 m de profundidade), que provavelmente foi formado após um período geológico de descarregamento do horizonte inferior, é caracterizado pelas condições de baixas tensões efetivas. O solo do horizonte inferior também está sob baixas tensões efetivas, contudo com uma tensão de préadensamento caracterizada pela diferença sp - sv0 25 kPa (constante com a profundidade), a qual pode ser associada ao mecanismo de carregamento e descarregamento mecânico. Uma correlação entre OCR (obtidas em ensaios de adensamento) e a razão Su/s’v0 (obtidas de ensaios de palheta e CPTu) foi atualizada para os solos do depósito. A alta compressibilidade dos solos foi confirmada pelos dados da instrumentação do aterro que mostraram recalques superficiais da ordem de 50 por cento da espessura do aterro (4,5 m). Os valores de Ca/Cc para os solos do depósito foram superiores aos valores característicos da maioria dos solos que se tem registro. Relações práticas para descrever a permeabilidade dos solos foram atualizadas. Os coeficientes de adensamento dos solos foram determinados por diversas formas e os resultados dos mesmos, apesar de apresentarem grande variabilidade (até dez vezes), não mostraram tendência quando os valores de campo (ensaios e dados de instrumentação) e laboratório foram comparados. O amolgamento dos corpos de prova afetou as características de permeabilidade e compressibilidade (primária e secundária) dos solos de ambos horizontes, mas os efeitos do mesmo foram mais severos nos solos do horizonte inferior. Uma previsão numérica, na qual se adotou um modelo para solo mole com fluência e foram considerados os parâmetros de laboratório, superestimaram levemente os recalques do aterro com o tempo. / [en] This work presents a settlement analysis of an embankment built on a very soft soil deposit in Barra da Tijuca (Baixada de Jacarepaguá), which is located in Rio de Janeiro’s coast. The geotechnical profile shows a very soft soil with thickness reaching 17 m, with Nspt equal 0. The embankment was built in stages and its settlements were accelerated with prefabricated drains. The construction lasted about 1,5 year and was monitored by means geotechnical instrumentation. Field and laboratory test programs were carried out to define the geotechnical characteristics of the soil. Ten samples were collected from two vertical boreholes before any loading was applied to the soil. To avoid disturbance, each stage of sample process, from sampling to specimen preparation, was conducted with special procedures. Tests have been carried out both in undisturbed (vertical and horizontal directions) and completely disturbed conditions. The specimen preparation procedures are described in detail. Conclusions considered only the results of tests conducted on specimens with excellent quality. The in-situ tests were performed in vertical boreholes next to boreholes where the undisturbed samples were collected and in the same location in which geotechnical instruments group were installed. The analysis of the field and laboratory tests and instrumentation data revealed the existence of two very soft soil layers exhibiting distinct characteristics which are separated by a continuous sand lens. The upper soil layer (from surface down to about 5 m depth), that was probably formed after an unloading geological period of the underlying layer, is characterized by low effective in situ stresses. The underlying soil is also under low in-situ effective stresses, but with a preconsolidation pressure characterized by the difference s’p - s’v0 25 kPa (constant with depth). A correlation between OCR (from consolidation tests) and Su/sv0 ratio (from vane and CPTU tests) for similar soils has been updated. The high compressibility of soils was confirmed by the embankment instrumentation data. Ca/Cc values, higher than usual for most known soils, were found. Practical relationships have been updated to describe the permeability of the deposit. Soil consolidation coefficients were estimated in different ways and values, even though have showed large difference (up to ten times), did not showed tendency when laboratory or field (tests and instrumentation data) values were compared. Disturbance affected the permeability and compressibility (primary and secondary) characteristic of the soils of both layers, but its effects were more severe in the underlying layer. A numerical prediction, in which a creep-soft-soil model was used and parameters obtained from the laboratory tests were considered, lightly overestimated the embankment settlements with time.

[pt] Esta dissertação apresenta um resumo geral sobre as obras de construção do Túnel Milagres, escavado em rocha (filito), com extensão de 818 metros, entre os municípios de Salgueiro (PE) e Penaforte (CE). Este túnel faz parte do Projeto de Integração do São Francisco (PISF), em execução desde 2007, e com inauguração prevista para 2021. O trabalho aborda brevemente os métodos de classificação de maciços rochosos, os métodos de escavação de túneis e a importância da instrumentação geotécnica na execução desta obra. São estudadas seis seções instrumentadas da escavação do Túnel Milagres, avaliando-se os deslocamentos medidos por meio das convergências e os recalques. Observou-se que as medições de convergência e de recalque estão interligadas. Verificou-se, ainda, a estabilização das seções monitoradas após 60 dias. / [en] This dissertation presents a general summary on the excavation works of the Milagres Tunnel, excavated in rock (Phyllite), with an extension of 818 meters, between the municipalities of Salgueiro (PE) and Penaforte (CE). This tunnel is part of the São Francisco Transposition Project (PISF), under construction since 2007, and planned to be inaugurated in 2021. This work briefly addresses the classification methods of rocky masses, the tunneling excavation methods of and the importance of geotechnical instrumentation on this project. Six instrumented sections of the excavation of the Milagres Tunnel are evaluated, focusing at the measured values of convergence and displacements. It is observed that convergence and settlement measurements are interconnected. stabilization of the monitored sections was observed after 60 days has been noted.

[pt] Em obras de maior porte e grande responsabilidade (portos, barragens, usinas nucleares, etc.), a quantidade de instrumentações pode se tornar suficiente para permitir a construção de modelos de variabilidade temporal das propriedades de interesse com base em redes neurais artificiais. No caso de barragens, o monitoramento através da instalação de um sistema de instrumentação desempenha um papel fundamental na avaliação do comportamento destas estruturas, tanto durante o período de construção quanto no período de operação. Neste trabalho empregou-se a técnica de redes neurais temporais (RNT) para análise, modelagem e previsão dos valores de vazão na barragem Funil, do sistema Furnas Centrais Elétricas, a partir dos dados de instrumentações disponíveis no período compreendido entre 02/09/1985 e 25/02/2002. As redes neurais temporais empregadas foram: RNT com arquitetura feedforward associada a técnica de janelamento, RNT recorrente Elman, RNT FIR e RNT Jordan. Adicionalmente, foram utilizadas duas técnicas para análise das séries temporais: os modelos de Box & Jenkins (1970) e métodos geoestatísticos, com a finalidade de comparar com o desempenho das RNT´s. Nesta pesquisa estuda-se ainda a geração de intervalos de confiança para RNT e para métodos geoestatísticos. As previsões de vazão analisadas neste trabalho, envolvendo o comportamento da barragem Funil, apresentaram resultados satisfatórios tanto os obtidos pelos modelos de redes neurais temporais como pelos de Box & Jenkins e métodos geoestatísticos. / [en] In works of great responsibility (ports, dams, nuclear power, etc.), the amount of instrumentation data may allow the construction of models for the temporary variability of the properties of interest based on neural network techniques. In case of dams, the monitoring through the installation of an instrumentation system plays a fundamental part in the evaluation of the behavior of these structures, during the construction period as well as in the operation period. In this work the technique of temporal neural networks (TNN) was used for analysis, modeling and forecast of the water discharges values in the Funil dam, from Furnas Centrais Elétricas system, starting from the data of available instrumentation in the period between 02/09/1985 and 25/02/2002. The temporal neural networks used in this research were the following: TNN with feedforward architecture and the windowing technique, recursive TNN Elman, TNN FIR and TNN Jordan. Two additional techniques (Box & Jenkins and geostatistical models) were employed for analysis of the time series with the purpose to compare the results obtained with neural networks. In this research the generation of confidence intervals for TNN and geostatistical methods were also investigated. The discharge values forecasts analyzed in this work for the Funil dam presented satisfactory results, with respect to the neural network, Box & Jenkins and geostatistical methods.