[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] O comportamento animal serviu de inspiração para o controle baseado por comportamento aplicado a robôs móveis autônomos. Este se baseia em diretivas simples, ou reações, separadas por camadas com respectivas prioridades. Quando agrupadas, estas diretivas conseguem executar as mais diversas e complexas funções no ambiente, tornando o controle em si uma tarefa segmentada, na qual se divide o objetivo principal em pequenos módulos chamados de comportamentos primários. Estes atuam independentes e, ao trabalharem de forma paralela resultam em comportamentos complexos capazes de realizar tarefas mais complexas, uma evolução do controle reativo. A lógica desta técnica torna mais simples a programação e organização das tarefas porque possui uma estrutura modular que permite a adição de novos sensores (novos comportamentos), sem grandes mudanças no código existente. Esta dissertação desenvolve e implementa a programação baseada em comportamento em robôs móveis autônomos com sensores óticos e ultrassônicos em um ambiente de simulação open source muito comum chamado Player/Stage e validada experimentalmente em 2 robôs autônomos. A arquitetura utilizada no processo de desenvolvimento das camadas comportamentais foi a arquitetura de esquemas motores em conjunto com a técnica de campos potenciais, originalmente idealizada por Ronald C. Arkin em 1998. Os resultados simulados e experimentais foram confrontados com métodos de programação clássica e comprovam todas as vantagens do controle baseado em comportamento. / [en] The animal behavior served as the inspiration for the behavior based control applied to autonomous mobile robots. This is based on simple directives, or reactions, separated by layers with their priorities. When combined, these directives can run the most diverse and complex functions in the environment, making the control itself a segmented task, which divides the main objective into small modules called primary behaviors. Those act independently and, when working in parallel, result in complex behaviors that are capable of executing more complex tasks, an evolution of reactive control. The logic from this technique makes it easy to program and organize robot controllers because it has a modular structure that allows the addition of new sensors (new behaviors) without major changes in the existing code. This thesis develops and implements a behavior based programming on autonomous mobile robots with optical and ultrasonic sensors in very common open source simulation software, called Player/Stage, and validates experimentally in 2 autonomous robots. The architecture used in the development of behavioral layers was the motor schema with potential fields, originally created by Ronald C. Arkin in 1998. The simulated and experimental results were confronted with classical methods of programming and proved all the benefits of behavior based control.

[pt] Embora os sistemas multimídia tradicionais se concentrem na codificação e no armazenamento eficientes de tipos de mídia e suas relações temporais, a demanda atual por experiências mais ricas e personalizadas exige uma compreensão mais profunda do conteúdo semântico dessas mídias. Neste estudo, propomos a integração do processamento de nível semântico aos sistemas multimídia, enriquecendo o conteúdo com informações sobre entidades do mundo real, como objetos, ações, agentes e interpretação de linguagem. A principal contribuição desta dissertação é a apresentação de uma arquitetura para enriquecimento de dados multimídia em tempo real que usa técnicas de aprendizado de máquina para extrair representações semânticas incorporando as ao fluxos de dados multimídia como um serviço nativo e básico. Para demonstrar concretamente a proposta, implementamos dois casos de uso que servem como provas de conceito, mostrando a viabilidade da arquitetura e sua eficácia em cenários práticos. / [en] While traditional multimedia systems focused on efficient coding and storage of media types and their temporal relationships, the current demand for rich and customized experiences calls for a deeper understanding of semantic content. In this study, we propose the integration of semantic-level processing into multimedia systems, enriching content with information about real-world entities, such as objects, actions, agents, and language interpretation. The main contribution of this dissertation is the proposal of an architecture for real-time multimedia data enhancement that is able to use machine learning techniques to extract semantic representations and incorporating it into multimedia data streams as a native and basic service. To provide a concrete demonstration of the proposal, we implement two use cases that serve as proofs-of-concept, showing the feasibility of the architecture and showcasing its effectiveness in practical scenarios.

[pt] O objetivo deste trabalho é investigar a utilização de um Sistema de Inferência Fuzzy (Fuzzy Inference System) para projetar um sistema de controle semiautônomo adequado a veículos militares, a partir do qual serão definidos valores para o Nível de Intervenção de um controlador automático. São apresentados conceitos básicos sobre a aplicação de Sistemas de Infer ência Fuzzy para a concepção de um ponderador de sinais e sobre a teoria de Controladores Preditivos Baseados em Modelo (Model Predictive Controllers), utilizados na implementação do sistema proposto. A partir da modelagem matemática do sistema dinâmico veicular foram obtidos resultados de simulações do veículo militar enquanto operado em situações perigosas e em que se faça necessária a intervenção do controlador, por exemplo, na presença de ameaças inimigas hostis ou em manobras altamente desestabilizadoras. O comportamento da variável de intervenção do controlador é apresentado por meio de suas curvas de evolução, e indica o seu aumento de acordo com o crescimento do nível de ameaça à qual o veículo está exposto. Os resultados são analisados criticamente, e conclui-se que o uso do sistema proposto resulta em um aumento qualitativo na segurança do veículo, tornando-o um sistema militar mais eficiente, com maior capacidade operacional, além de melhorar as habilidades de seu condutor. / [en] The purpose of this work is to investigate the use of Fuzzy Inference Systems to design an appropriate semi-autonomous control system for military vehicles, from which the choice of the automatic controller intervention level would be achieved. Basic concepts about the application of Fuzzy Inference Systems for the design of a weighted signal generator and about the Model Predictive Controllers theory are presented. These concepts were used for the implementation of the proposed semiautonomous control system. From the mathematical model of the vehicular dynamic system, results were obtained through simulated tests where the military vehicle was being operated in hazardous situations and in which the intervention of the automatic controller was necessary, e.g., in the presence of hostile enemy threats or in highly destabilizing maneuvers. The behavior of the controller s intervention variable is presented through its evolution curves and indicates its increase accordingly to the growth of the threat level to which the vehicle is exposed. The results are criticyzed, and it is concluded that the use of the proposed system will result in a qualitative increase in vehicle s safety, making it a more efficient military system, with greater operational capacity and enhancing the skills of its driver.

[pt] Robótica coletiva de enxame é uma abordagem para o controle de sistemas robóticos multi-agentes baseada em insetos sociais e outros sistemas naturais que apresentam características de auto-organização e emergência, com aplicações disruptivas em robótica e inúmeras possibilidades de expansão em outras áreas. Porém, sendo um campo relativamente novo existem poucas plataformas experimentais para seu estudo, e as existentes são, em sua maioria, especialmente desenvolvidas para tarefas e algoritmos específicos. Uma plataforma de estudos genérica para o estudo de sistemas robóticos coletivos é, por si só, uma tarefa tecnológica não trivial além de ser um recurso valioso para um centro de pesquisas interessado em realizar experimentos no assunto. Neste trabalho dois importantes algoritmos de controle colaborativo multi-robôs foram estudados: busca do melhor caminho e transporte coletivo. Uma análise completa dos mecanismos biológicos, dos modelos lógicos e do desenvolvimento dos algoritmos é apresentada. Para realizar os experimentos uma plataforma genérica foi desenvolvida baseada nos robôs móveis “iRobot Create”. Sensores virtuais são implementados em através de um sistema de visão computacional combinado com um simulador em tempo real. O sistema de sensores virtuais permite a incorporação de sensores ideais no sistema experimental, incluindo modelos mais complexos de sensores reais, incluindo a possibilidade da adição de ruído simulador nas leituras. Esta abordagem permite também a utilização de sensores para detecção de objetos virtuais, criados pelo simulador, como paredes virtuais e feromônios virtuais. Cada robô possui um sistema eletrônico embarcado especialmente desenvolvido baseado em micro controlador ARM. A eletrônica adicionada é responsável por receber as leituras dos sensores virtuais através de um link de radio em um protocolo customizado e calcular, localmente, o comportamento do robô. Os algoritmos são implementados na linguagem de alto nível Lua. Mesmo com as leituras dos sensores virtuais sendo transmitidas de um sistema centralizado é importante ressaltar que todo o algoritmo de inteligência é executado localmente por cada agente. As versões modificadas e adaptadas dos algoritmos estudados na plataforma com sensores virtuais foram analisadas, juntamente com suas limitações, e se mostraram compatíveis com os resultados esperados e acessíveis na literatura que utiliza sistemas experimentais mais específicos e mais dispendiosos. Portanto a plataforma desenvolvida se mostra capaz como ferramenta para experimentos em controle de sistemas robóticos multi-agentes com baixo custo de implementação, além da inclusão, através do mecanismo de sensores virtuais, de sensores ainda em desenvolvimento ou comercialmente indisponíveis. / [en] Swarm robotics is an approach to multi-robot control based on social insects and other natural systems, which shows self-organization and emergent characteristics, with disruptive applications on robotics and possibilities in a variety of areas. But, being a relatively new field of research, there are few experimental platforms to its study, and most of them are crafted for very specific tasks and algorithms. A general study platform of swarm robotics, by itself, is a non-trivial technological deed and also a very valuable asset to a research center willing to run experiments on the topic. In this work, two important algorithms in multi-robot collaborative control strategies are studied: path finding and collective transport. A complete analysis of the biological mechanisms, models and computer abstractions that resulted in the development of those algorithms is shown. To perform the multi-robot experiments, several “iRobot Create” mobile robots are employed. Virtual sensors and virtual walls are implemented in real time in the experimental system through cameras and especially developed computer vision software. Virtual sensors allow the incorporation of ideal sensors in the experimental system, including complete models of real sensors, with the possibility of adding virtual noise to the measurements. This approach also allows the use of sensors to detect virtually created objects, such as virtual walls or virtual pheromones. Each physical robot has a customized embedded system, based on the ARM microprocessor, which receives the virtual sensors readings through a radio link in an also customized protocol. The behavior of each autonomous agent is locally calculated using the high-level programming language Lua. Even though the virtual sensor readings are transmitted from an external centralized computer system, all behaviors are locally and independently calculated by each agent. The adaptations of the studied algorithms to the platform with virtual sensors are analyzed, along with its limitations. It is shown that the experimental results using virtual sensors are coherent with results from the literature using very specialized and expensive robot/sensor setups. Therefore, the developed platform is able to experimentally study new control strategies and swarm algorithms with a low setup cost, including the possibility of virtually incorporating sensors that are still under development or not yet commercially available.

[pt] Ao mesmo tempo em que a autonomia de robôs pessoais e domésticos aumenta, cresce a necessidade de interação dos mesmos com o ambiente. A interação mais básica de um robô com o ambiente é feita pela percepção deste e sua navegação. Para uma série de aplicações não é prático prover modelos geométricos válidos do ambiente a um robô antes de seu uso. O robô necessita, então, criar estes modelos enquanto se movimenta e percebe o meio em que está inserido através de sensores. Ao mesmo tempo é necessário minimizar a complexidade requerida quanto a hardware e sensores utilizados. No presente trabalho, um algoritmo iterativo baseado em entropia é proposto para planejar uma estratégia de exploração visual, permitindo a construção eficaz de um modelo em grafo do ambiente. O algoritmo se baseia na determinação da informação presente em sub-regiões de uma imagem panorâmica 2-D da localização atual do robô obtida com uma câmera fixa sobre o mesmo. Utilizando a métrica de entropia baseada na Teoria da Informação de Shannon, o algoritmo determina nós potenciais para os quais deve se prosseguir a exploração. Através de procedimento de Visual Tracking, em conjunto com a técnica SIFT (Scale Invariant Feature Transform), o algoritmo auxilia a navegação do robô para cada nó novo, onde o processo é repetido. Um procedimento baseado em transformações invariáveis a determinadas variações espaciais (desenvolvidas a partir de Fourier e Mellin) é utilizado para auxiliar o processo de guiar o robô para nós já conhecidos. Também é proposto um método baseado na técnica SIFT. Os processos relativos à obtenção de imagens, avaliação, criação do grafo, e prosseguimento dos passos citados continua até que o robô tenha mapeado o ambiente com nível pré-especificado de detalhes. O conjunto de nós e imagens obtidos são combinados de modo a se criar um modelo em grafo do ambiente. Seguindo os caminhos, nó a nó, um robô pode navegar pelo ambiente já explorado. O método é particularmente adequado para ambientes planos. As componentes do algoritmo proposto foram desenvolvidas e testadas no presente trabalho. Resultados experimentais mostrando a eficácia dos métodos propostos são apresentados. / [en] As the autonomy of personal service robotic systems increases so has their need to interact with their environment. The most basic interaction a robotic agent may have with its environment is to sense and navigate through it. For many applications it is not usually practical to provide robots in advance with valid geometric models of their environment. The robot will need to create these models by moving around and sensing the environment, while minimizing the complexity of the required sensing hardware. This work proposes an entropy-based iterative algorithm to plan the robot´s visual exploration strategy, enabling it to most efficiently build a graph model of its environment. The algorithm is based on determining the information present in sub-regions of a 2- D panoramic image of the environment from the robot´s current location using a single camera fixed on the mobile robot. Using a metric based on Shannon s information theory, the algorithm determines potential locations of nodes from which to further image the environment. Using a Visual Tracking process based on SIFT (Scale Invariant Feature Transform), the algorithm helps navigate the robot to each new node, where the imaging process is repeated. An invariant transform (based on Fourier and Mellin) and tracking process is used to guide the robot back to a previous node. Also, an SIFT based method is proposed to accomplish such task. This imaging, evaluation, branching and retracing its steps continues until the robot has mapped the environment to a pre-specified level of detail. The set of nodes and the images taken at each node are combined into a graph to model the environment. By tracing its path from node to node, a service robot can navigate around its environment. This method is particularly well suited for flat-floored environments. The components of the proposed algorithm were developed and tested. Experimental results show the effectiveness of the proposed methods.

[pt] Nos últimos anos, os robôs móveis com pernas têm despertado o interesse da comunidade robótica, pois tais mecanismos apresentam maior versatilidade em relação aos robôs móveis de rodas e aéreos. Neste trabalho, o autor considera o problema de modelagem e projeto de controle robusto para uma classe de robôs móveis com pernas usando a abordagem de controle por modos deslizantes. Um estudo comparativo entre um algoritmo de planejamento baseado em técnicas de Fourier e controladores via modo deslizante é apresentado para o problema de estabilização de um robô móvel saltitante na fase de vôo. O autor também propõe a estabilização da postura de robôs móveis multipernas, como hexapod e robô bípede, utilizando duas abordagens de controle diferentes, o controle de regulação Cartesiana e o controle via modos deslizantes. A teoria de estabilidade de Lyapunov é usada para demonstrar as propriedades de estabilidade dos sistemas de controle em malha-fechada. Simulações numéricas em ambiente de simulação MATLAB e simulações computacionais em Gazebo, um simulador robótico 3D de código aberto, são incluídas para ilustrar o desempenho e a viabilidade da metodologia proposta. / [en] In the last years, legged mobile robots have increased the interest of the robotics community because such mechanisms have higher versatility compared to wheeled and aerial mobile robots. These characteristics make robot with legs a viable solution for rescue and monitoring operations in irregular terrains and difficult to access locations. Although singlelegged or multi-legged mechanisms can transverse any terrain, some of their disadvantages are higher complexity in modelling and control design and higher power consumption. In this work, the author considers the problem of modelling and robust control design for a class of legged mobile robots using the sliding mode control approach. A comparative study between a planning algorithm based on Fourier techniques and sliding mode controllers is presented for the stabilization problem of a hopping robot in flight phase. The author also proposes the stabilization of the posture of multilegged mobile robots such as, hexapod and biped robot, using two different control approaches, the Cartesian regulation control and the sliding mode control. The Lyapunov stability theory is used to demonstrate the stability properties of the closed-loop control systems. Numerical simulations in MATLAB simulation software and computer simulations in Gazebo, an open-source 3D robotic simulator, are included to illustrate the performance and feasibility of the propose methodology.

[pt] Nos últimos anos, os avanços mais recentes em robótica e suas aplicações têm sido usados para reduzir a carga de trabalho e os requisitos de mão-de-obra, melhorando o ambiente, a saúde e a segurança, particularmente nos sistemas de produção agrícola. Robôs autônomos fazem parte de tal inovação tecnológica e os robôs móveis com esteiras, em particular, têm sido amplamente utilizados em campos agrícolas em todo o mundo, já que suas esteiras proporcionam uma grande área de contato em solos úmidos e terrenos irregulares, evitando que o robô fique preso e melhorando a sua mobilidade. Neste trabalho, aborda-se a modelagem e o controle de robôs móveis com esteiras (Tracked Mobiler Robots, TMRs) para executar tarefas de vigilância em campos agrícolas. A metodologia proposta considera que o modelo cinemático do TMR são incertos devido ao escorregamento inerente entre as esteiras e o terreno. Para lidar com as incertezas de modelagem e perturbações externas, utiliza-se uma estratégia de controle robusto baseada na abordagem de modos deslizantes. Uma interface de usuário móvel (Mobile User Interface, MUI) baseada no sistema operacional Android é desenvolvida para controlar o robô movél com esteiras de forma manual ou autônoma. A partir da MUI, o operador humano pode visualizar as informações capturadas de sensores externos e internos. Simulações numéricas em MATLAB são realizadas para verificar o desempenho do controladores, bem como validar o modelo cinemático do robô, em diferentes configurações iniciais. / [en] In recent years, the latest advances in robotics and its applications have been used to reduce the workload and manpower requirements, improving the environment, health and safety (EHS) conditions, particularly in agricultural production and farming systems. Autonomous robots are part of such technological innovation and Tracked Mobile Robots (TMRs), in particular, have being widely used on agricultural fields around the world, since their tracks provide a large contact area on the wet soils and irregular terrains avoiding the robot to get stuck. In this work, we address the modeling and control design of tracked mobile robots (TMRs) able to perform surveillance tasks in agricultural fields. The proposed methodology considers that the kinematic models of the TMRs are both uncertain due to the inherent slippage between the tracks and the terrain. To deal with the modeling uncertainties and external disturbances, we use the sliding mode control (SMC) approach. A Mobile User Interface (MUI) based on Android operating system. is developed to control the TMR manually or autonomously. By using the MUI the human operator can visualize the information captured from external and internal sensors. Numerical simulations in MATLAB are carried out to verify the performance of the controller as well as validate the robot kinematic model under different configurations.