[pt] Apesar da pesquisa contínua para facilitar a programação de redes de sensores sem fio, a análise de perigos de concorrência ainda é de responsabilidade do programador, que deve tratar manualmente de questões como sincronização e memória compartilhada. Nós apresentamos uma linguagem de sistema que garante concorrência segura tratando ameaças em tempo de compilação. A fundamentação estática e síncrona da nossa abordagem permite um raciocínio mais simples sobre questões de concorrência, permitindo uma análise em tempo de compilação que garante programas determinísticos. Como contra-partida, nosso modelo impõe em termos da expressividade da linguagem, tais como para efetuar cálculos demorados, ou atender prazos estritos em tempo real. Nós implementamos diversos protocolos de rede conhecidos e o driver para rádio CC2420 para mostrar que a expressividade e responsividade obtida com a linguagem é suficiente para uma gama considerável de aplicações para redes de sensores. As implementações mostram uma redução de tamanho de código, com um aumento de memória abaixo de 10 porcento em comparação com nesC. O uso da linguagem proposta implica em diversas propriedades de segurança que se baseiam em abstrações de controle de alto nível, também resultando em código mais conciso e legível. / [en] Despite the continous research to facilitate Wireless Sensor Networks development, most safety analysis and mitigation efforts in concurrency are still left to developers, who must manage synchronization and shared memory explicitly. We propose a system language that ensures safe concurrency by handling threats at compile time, rather than at runtime. The synchronous and static foundation of our design allows for a simple reasoning about concurrency that enables compile-time analysis resulting in deterministic and memory-safe programs. As a trade-off, our design imposes limitations on the language expressiveness, such as doing computationally-intensive operations and meeting hard real-time responsiveness. To show that the achieved expressiveness and responsiveness is sufficient for a wide rage of WSN applications, we implement widespread network protocols and the CC2420 radio driver. The implemetations show a reduction in source code size, with a penalty of memory increase below 10 percent in comparison to nesC. Overall, we ensure safety properties for programs relying on high-level control abstractions that also lead to concise and readable code.

[pt] Nesta Tese, o design robusto, com um modelo incerto de um sistema de vibro-impacto eletromecânico é feito. O sistema é composto de um carrinho, cujo movimento é aciondo por um motor de corrente contínua e um martelo embarcado neste carrinho. O martelo é ligado ao carrinho por um mola não linear e por um amortecedor linear, de modo que existe um movimento relativo entre eles. Uma barreira linear flexível, colocada fora do carrinho, restringe aos movimentos do martelo. Devido ao movimento relativo entre o martelo e a barreira, impactos podem ocorrer entre estes dois elementos. O modelo metemático desenvolvido para sistema leva em conta a influência do motor no comportamento dinâmico do sistema. Alguns parâmetros do sistema são incertos, tais como a rigidez e os coeficientes de amortecimento da barreira flexível. O objetivo da Tese é realizar uma otimização deste sistema eletromecânico com respeito a parâmetros de projeto, a fim de maximizar a potência de impacto sob a restrição de que a potência elétrica consumida pelo motor seja menor do que um valor máximo. Para escolher os parâmetros de projeto no problema de otimização, uma análise de sensibilidade foi realizada a fim de definir os parâmetros mais sensíveis do sistema. O problema de otimização é formulado no âmbito de otimização robusta, devido à presença de incertezas no modelo. As distribuições de probabilidades das variáveis aleatórias são construídas através do Princípio da Máxima Entropia e estatísticas da resposta estocástica do sistema são calculadas pelo método de Monte Carlo. O conjunto de equações não-lineares é apresentado, e um integrador temporal adaptado é desenvolvido. O problema de otimização não-linear estocástico com restrição é resolvido para diferentes níveis de incertezas e também para o caso determinístico. Os resultados são diferentes e isto mostra a importância da modelagem estocástica. / [en] In this Thesis, the robust design with a uncertain model of a vibro-impact eletromechanical system is done. The electromechanical system is composed of a cart, whose motion is excited by a DC motor (motor with continuous current), and an embarked hammer into this cart. The hammer is connected to the cart by a nonlinear spring component and by a linear damper, so that a relative motion exists between them. A linear flexible barrier, placed outside of the cart, constrains the hammer movements. Due to the relative movement between the hammer and the barrier, impacts can occur between these two elements. The developed model of the system takes into account the influence of the DC motor in the dynamic behavior of the system. Some system parameters are uncertain, such as the stiffness and the damping coefficients of the flexible barrier. The objective of the Thesis is to perform an optimization of this electromechanical system with respect to design parameters in order to maximize the impact power under the constraint that the electric power consumed by the DC motor is lower than a maximum value. To chose the design parameters in the optimization problem, a sensitivity analysis was performed in order to define the most sensitive system parameters. The optimization is formulated in the framework of robust design due to the presence of uncertainties in the model. The probability distributions of random variables are constructed using the Maximum Entropy Principle and statistics of the stochastic response of the system are computed using the Monte Carlo method. The set of nonlinear equations are presented, and an adapted time domain solver is developed. The stochastic nonlinear constrained design optimization problem is solved for different levels of uncertainties, and also for the deterministic case. The results are different and this show the importance of the stochastic modeling. / [fr] Dans cette Thèse, nous étudions l optimization robuste avec un modèle incertain d un système étrectromécanique avec vibro-impact. Le système életromécanique est contitué d un chariot dont le mouvement est généré par un moteur à courant continu, et d un mateau embarqué dans ce chariot. Le Marteau est relié au chariot par un resort non linéaire et par un amortisseur linéaire, de façon qu un mouvement relative existe entre eux. Une barrière flexible linéaire, placée à l extérieur du chariot limite les mouvements du Marteau. En raison du mouvement relative entre le Marteau et la barrière, des impacts peuvent se produire entre ces deux éléments. Le modèle du système dèveloppé prend en compte l influence du moteur à courant continu dans la comportement dynamique du système. Certains paramètres du système sont incertains, tells que les coefficients de rigidité et d amortissement de la barreire flexible. L objectif de la Thèse est de réaliser une optimization de ce système életromécanique en jouant sur les paramètres de conception. Le but est de maximizer la puissance d impact sous la contrainte que la puissance électrique consommée par le moteur à courant continu soit inférieure à une valeur maximale. Pour choisir les paramétres de conception dans le probléme d optimisation, une analyse de sensibilité a été réalisée afin de definir les paramètres du système les plus sensibles. L optimisation est formulée dans le cadre de la conception robuste em raison de la présence d incertitudes dans le modele. Les lois de probabilités des variables aléatoires du problème sont construites em utilisant le Principle du Maximum d Entropie. Les statistiques de la réponse stochastique du système sont caçculées em utilisant la méthode de Monte Carlo. L emsemble de équations non linéaires est presente, et um solveur temporel adapte est développé. Le probléme d optimisation non linéaire stochastique est résolu pour différents niveaux d incertitudes, ainsi que pour le cas déterministe. Les résultats sont différents, ce qui montre l importance de la modélisation stochastique.

[pt] Sistemas rotativos atuados através de um eixo flexível apresentam um grande desafio para estratégias de controle, uma vez que o atuador não está conectado diretamente ao sistema principal, causando efeitos de propagação de ondas e acúmulos e dissipações de energia no eixo. Este trabalho apresenta um estudo sobre uma das mais notórias aplicações deste problema, sistemas de perfuração de petróleo. Habitualmente, o sistema de perfuração é composto por um motor de topo conectado à broca através de milhares de metros de tubos de aço que transmitem o toque. Diversos tipos de vibrações podem ser observadas: Axiais, de flexão e torcionais, estas últimas ligadas ao fenomeno stick-slip. Para um completo conhecimento do problema, é necessário conhecer cada uma delas. Esta tese trata especificamente das vibrações torsionais através de uma análise com dois diferentes modelos, um primeiro mais simples de fois graus de liberdade (inércia, mola torcional, amortecedor), e um segundo mais completo discretizado em 20 graus de liberdade capaz de considerar a masssa do eixo e efeitos de propagação de ondas mecânicas no eixo. Este trabalho inclui aidna a construção de uma bancada em escala reduzida para observar os fenômenos associados as vibraçoes torcionais. São apresentados ainda estudos numéricos e experimentais de técnicas de controle de minimizar os efeitos do atrito na dinâmica torcional do sistema. Duas estrututas de controle são estudadas nesta tese a fim de reduzir vibrações torcionais em colunas de perfuração. A primeira é um controle simples, de malha aberta, baseado no comportamento do sistema. A segunda é o controle adaptativo L1, que faz uso de um modelo de refeência do sistema em sua estrutura. / [en] Systems actuated trough a highly flexible shaft poses a big challenge to control strategies as the actuator is not connected directly to the end effector, causing propagation effects as well as an energy accumulation and dissipation in the shaft. This thesis focuses the study of one of the most investigated application of this type, the top driven drilling system used in the oil and gas industry. Usually, the drilling system is composed by a top drive linked to the drill bit trough hundreds or even thousands of meters of steel pipes. All kind of vibrations will be found: longitudinal deformations will be associated to the bit bouncing, flexional with rubbing, and torsional with stick-slip effects. A better understanding is only possible when each of these situations is carefully investigated. This thesis focuses on the torsional deformation of the highly flexible string and presents two different models for the drill string, the first is the most common single spring single damper model. The second one is a 20 DOF Lumped parameters that has the advantage of being able to consider the mass of the drill string and propagation of torsional waves in the shaft. The investigation includes the development of a test rig adequate for torsional vibrations under damping that may induce stick-slip in the system. Two control techniques are studied to reduce the torsional vibrations in drill strings with numerical and experimental results presented. The first is a behavior based open loop scheme control, which is very simple and effective to reduce stick-slip oscillations. The second one is the L1 adaptive control that uses a reference model on its structure.

[pt] Com o aumento da expectativa, de vida o envelhecimento da população vem se tornando uma realidade cada vez mais presente no Brasil e no mundo. Esse novo panorama demográfico já é vivenciado por países ricos, que vêm cada vez mais investindo para se enquadrar nessa nova realidade, seja por meio da adaptação de suas cidades ou pelo desenvolvimento de novas tecnologias para melhora da qualidade de vida. Na área da robótica, diversas pesquisas vêm sendo desenvolvidas com o intuito de reabilitação e melhora da qualidade de vida da população idosa. Nesses trabalhos são desenvolvidos, por exemplo, dispositivos que buscam auxiliar o idoso na realização de suas atividades diárias, provendo, principalmente, suporte e prevenção de quedas. Essa dissertação de mestrado apresenta o desenvolvimento do protótipo de um dispositivo para assistência a locomoção de pessoas idosas que possuam alguma deficiência visual, motora e/ou cognitiva. O dispositivo tem como objetivo guiar o usuário em ambientes urbanos de maneira autônoma. O protótipo deve ser capaz de desviar de qualquer obstáculo que possa levar o idoso à queda, além de ter uma estrutura que ofereça apoio para o seu deslocamento. O dispositivo proposto possui uma estrutura semelhante a um andador, cuja base é um robô móvel diferencial. Para que possa obter informações do ambiente, o dispositivo está equipado com sensores de distância, uma central inercial e encoders nas rodas. Todo o processamento ocorre em uma CPU de baixo custo, Raspberry Pi 1 versão 2, embarcada no próprio dispositivo e o controle de navegação ocorre por meio de um algoritmo baseado em lógica Fuzzy. Os acessos ao hardware e software de controle do dispositivo são gerenciados pelo framework de robótica Player (Gerkey e contribuidores, 2010). Para que o dispositivo receba a rota de navegação ele está conectado a um celular, com sistema operacional Android, via protocolo TCP/IP. Esse celular está executando uma API (Application Programming Interface) do Google Maps que fornece direção e distância ao objetivo a cada passo da interação, além da localização global do dispositivo, por meio do sensor GPS do celular. O objetivo deve ser inicialmente estabelecido pelo usuário por meio da API desenvolvida, para que a navegação autônoma ocorra. Além da navegação autônoma, o dispositivo permite que usuário envie comandos diretamente para os motores por meio de sensores de força instalados próximos aos pontos de apoio do usuário. / [en] With the increase in life expectation, the ageing population has become more present in Brazil and the world. This new demographic scenery has been already framed by rich countries, which are increasingly investing to fit this new reality, either through the adaptation of their cities or the development of new technologies to improve the quality of life. In the area of robotics, several researches have been developed with the aim of rehabilitation and improvement of the quality of life of the elderly population. These researches are developing, for example, devices to assist the elderly in carrying out their daily activities, providing support and prevention of falls. This work presents the development of the prototype of a device to assist elderly person with any visual, cognitive and/or motor impairment to locomotion by itself. The device aims to guide the user autonomously in urban environments. The prototype should be able to avoid any obstacle that can cause the elderly to fall, besides having a structure that offers support for his balance. The proposed device has a structure similar to a walker whose base is a differential mobile robot. For the device be able to get information from the environment, it is embedded with range sensors, a measurement central unit and encoders at the wheels. All processing occurs in a low-cost CPU, Raspberry Pi 1 B version 2, which is embedded in the mobile device, and the navigation control algorithm is based on fuzzy logic. The robotic framework Player (Gerkey and contributors, 2010) provides the access to the hardware and software of the device. For the device to receive the navigation route, it is connected to an Android operating system phone, by TCP/IP protocol. This phone runs an API (Application Programming Interface) from Google Maps that provides the direction and the distance to the goal in every step of its interaction, besides the global location of the robot, provided by the GPS sensor of the phone. The user should firstly set the goal with the API developed, so that the autonomous navigation will occur. In addition to the autonomous navigation, the device allows the user to send commands directly to the motors by means of the force sensors installed at the robot cane.