Este trabalho apresenta uma solução para o problema de coordenação dos atuadores das pernas de robôs móveis levando em consideração múltiplos critérios. É assumido que a posição no tempo de cada atuador é descrita por uma função periódica a ser determinada iterativamente por um algoritmo de aprendizado por reforço. As pernas similares do robô são identificadas e agrupadas visando diminuir o número de funções que precisam ser determinadas. O desempenho do robô simulado é medido considerando: a) as velocidades de translação frontal e de rotação, b) a suavidade na locomoção do robô e c) o máximo torque e o consumo de energia dos atuadores. Também é investigada a utilização da transferência de conhecimento no intuito de agilizar o aprendizado em duas situações específicas: na acomodação a uma falha ocorrida e no aprendizado por partes, onde os critérios desejados para o modo de caminhar são inseridos gradativamente no aprendizado. As funções determinadas no ambiente de simulação pelo algoritmo de reforço são, então, usadas nos atuadores do robô real construído usando o kit de robótica educacional Bioloid Comprehensive Kit. O desempenho do robô real é, então, medido e comparado com o desempenho do robô simulado. Este trabalho apresenta quatro estudos de caso: um robô quadrúpede, um quadrúpede híbrido (com rodas livres acopladas aos pés), um trípode e um robô bípede. As soluções obtidas pela aplicação do método proposto são apresentadas e se mostram satisfatórias.

Algumas superfícies de controle de aeronave possuem deformações indesejadas quando submetidas aos carregamentos de vôo. Este trabalho apresenta uma proposta de aplicação de atuadores piezoelétricos em superfícies de controle de tal forma que as deformações geradas pelos atuadores piezoelétricos atenuem as deformações ocasionadas pelos carregamentos aerodinâmicos. Para avaliação da efetividade da aplicação proposta, é apresentada uma metodologia de modelagem em elementos finitos da aplicação dos atuadores piezoelétricos em superfícies de controle. Resultados obtidos através desta metodologia de modelagem são comparados com resultados experimentais de referências bibliográficas como forma de validação da metodologia proposta. Uma proposta de lay-out estrutural de spoiler de aeronave com atuadores piezoelétricos é apresentada como exemplo da aplicação.

Esta tese apresenta a caracterização de um atuador com Liga de Memória de Forma (LMF) para a deflexão e controle de vibração da superfície de controle de uma estrutura aeroelástica levando em conta as propriedades da liga. Para descrever essas propriedades, utilizou-se um modelo constitutivo que é capaz de prever o comportamento da liga sujeita a cargas termomecânicas complexas. Neste contexto, as LMF são usadas na forma de atuadores que auxiliam no controle ativo da estrutura aeroelástica devido à sua capacidade de variação de amortecimento e rigidez. Neste trabalho descreve-se a modelagem matemática do sistema aeroelástico com o atuador LMF incorporado, levando em conta as forças aerodinâmicas não estacionárias que são modeladas seguindo a metodologia de Theodorsen e Wagner. Nos primeiros capítulos desta tese desenvolveu-se um estudo numérico que permite analisar o comportamento estático e dinâmico da estrutura aeroelástica na presença do atuador com memória de forma incorporado na seção típica. Em seguida, desenvolveu-se um sistema de controle de posicionamento da superfície de controle baseado na teoria de estrutura variável (CEV), estrutura variável baseada na temperatura (TCEV) e modos deslizantes (SMC). É necessário aos controladores o conhecimento das variáveis de estado, portanto, para a estimação das variáveis de estado do atuador LMF (tensão mecânica e temperatura) é empregado o filtro de Kalman estendido. Tais estimativas serão utilizadas no controlador TCEV. Resultados de simulação computacional demonstram a viabilidade do uso de atuadores leves de ligas com memória de forma tanto para controlar o movimento da superfície de controle de uma seção típica quanto para a supressão do fenômeno de flutter.

A exigência de continuidade operacional em processos críticos mesmo sob a ação de falhas de atuadores requer sistemas de controle que sejam capazes de manter o sistema em funcionamento, mesmo com desempenho afetado, até uma possível intervenção de manutenção. Neste contexto, o controle preditivo se mostra uma estratégia apropriada para mitigação dos efeitos de falhas, por permitir o tratamento explícito de restrições de entrada e saída do sistema. Este trabalho apresenta uma abordagem de controle preditivo para acomodação de falhas que resultem em uma perda de efetividade dos atuadores. Para esse propósito, assume-se que o atuador esteja sujeito a efeitos de degradação que progridam com taxa proporcional ao esforço de controle. Por simplicidade, considera-se que a perda de efetividade ocorra de forma abrupta quando a degradação atinge um limiar intermediário entre a condição nominal de operação e a perda total do atuador. Sob essas condições, a dinâmica do sistema pode ser representada por um modelo de sistema h?brido utilizando a representação MLD (Mixed Logical Dynamical). Como resultado, a lei de controle preditivo envolve a solução de um problema de programação mista inteira a ser resolvido a cada instante de amostragem. A abordagem proposta é ilustrada por meio de simulações numéricas.

As ligas NiTi são as mais amplamente utilizadas dentre os materiais com Efeito de Memória de Forma. Uma liga NiTi capaz de deformar 9% da forma original e recuperá-la totalmente tem sido produzida no Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Aproveitando esta característica (a maior recuperação de forma encontrada na literatura aberta) desenvolveu-se um atuador torcional visando o controle de forma de estruturas aeronáuticas. O objetivo deste trabalho é modelar e projetar um atuador torcional e avaliar experimentalmente o deslocamento angular e torque gerados pela recuperação de forma. Desenvolveu-se uma formulação simplificada para o projeto do atuador torcional considerando como variáveis de projeto o comprimento e o diâmetro do atuador, o diâmetro do fio e o ângulo de enrolamento. São deduzidas expressões para o cálculo do comprimento do fio de NiTi, o deslocamento angular e o torque gerado em função dos parâmetros de projeto. Recomendações de projeto do atuador torcional são elaboradas em função dessas relações. O sistema de aquecimento usado para atingir a temperatura de transformação de fase (88C, valor correspondente a Af) é baseado em água em ebulição (também poderia ser utilizado efeito Joule). Desenvolveu-se um banco de prova linear para caracterizar a recuperação de forma do material e as forças geradas sob deformação longitudinal. Dois diâmetros de fio de NiTi foram testados no atuador torcional: 1 mm e 2 mm. Os resultados de deslocamento angular foram de 18 para os dois fios usados para uma deformação recuperável por EMF de aproximadamente 3%. Em termos de forças de recuperação, o fio de 1 mm apresenta 250 N na etapa de recuperação, e o fio de 2 mm uma força de 1100 N, aproximadamente quatro vezes maior. Os resultados experimentais são consistentes com a análise teórica, principalmente considerando as limitações do experimento torcional.

Como reflexo do aumento do grau de complexidade nos softwares e das exigências cada vez maiores impostas pela área espacial, a busca de processos que venham organizar e melhorar o desenvolvimento de software tem aumentado nos últimos anos. Muitas organizações implantam processos sem existir um objetivo estratégico bem definido. É cada vez maior a adoção a ferramentas de gestão estratégica como o Balanced Scorecard (BSC), que proporciona a organização transformar sua estratégia em ação, por meio de objetivos, indicadores de desempenho e uma aplicação integradora se tornando uma ferramenta essencial para a organização transmitir sua missão e estratégia em objetivos tangíveis e mensuráveis. É com este princípio que o presente trabalho tem como objetivo desenvolver o Balanced Scorecard e o seu respectivo mapa estratégico na área de software espacial, focando principalmente as áreas que dizem respeito à garantia da qualidade, utilizando-se os processos do Modelo de Capacidade e Maturidade Integrado (CMMI) que atualmente é um dos modelos de processos mais utilizados pela comunidade de software mundial em conformidade com as normas da European Space Agency (ESA) E-40 e Q-80 referentes a software espacial.

Este trabalho apresenta uma formulação variacional consistente para a modelagem de placas laminadas com atuadores piezoelétricos. Um programa computacional de elementos finitos para análise de placas laminadas minidas de atuadores piezoelétricos incluindo efeitos de enrigecimento por tensão, foi adaptado para projetar os experimentos de validação da formulação proposta. Na parte experimental do trabalho, foram realizados ensaios para caracterizar o campo de deformação induzido pelos atuadores piezoelétricos, bem como o comportamento mecânico da placa em trmos de sua rigidez à flexão e freqüências naturais de vibração.

Este trabalho apresenta o estudo da influência da esteira gerada por uma hélice no arrasto induzido em um sistema que combina uma asa finita com hélice, configuração típica de aeronaves turbo-hélice. A modelagem é realizada da seguinte forma: a asa finita é representada com a teoria da linha sustentadora de Prandtl modificada para efeitos de vórtices tridimensionais e a hélice é modelada com a teoria do disco atuador. São apresentados resultados de arrasto e L/D para algumas asas simples com e sem o efeito da hélice.

Piezoelectric shunt damping is a well-known technique to damp mechanical vibrations of a structure. This technique consists in using a piezoelectric transducer to convert mechanical vibration energy into electrical energy, which is partially dissipated in an electrical circuit. Among the circuits proposed over the last decades for the efficient conversion of mechanical vibration energy into electric energy, the resonant circuit was the first one that achieved satisfactory results. Resonant shunts consist of a resistor (R) and a inductor (L) connected in series with a piezoelectric transducer, which already contains an intrinsic capacitance. The resonance frequency of this circuit is tuned to the vibration natural frequency of the mechanical structure, which results on the maximum energy conversion and maximum vibration damping. Unfortunately, this technique presents limitations in real aplications, because small variations in the structure, circuit components, and operational conditions can decouple the electrical and mechanical natural frequencies and radically reduce the performance. In order to damp mechanical vibrations in lightweight structures subject to variabilities, a new piezoelectric shunt damping technique with improved performance and robustness is presented in this work. This thesis describes an adaptive resonant piezoelectric vibration absorber enhanced by a synthetic negative capacitance. The resonant shunt circuit autonomously adapts its inductance value (L) by comparing the phase difference of the vibration velocity and the current flowing through the shunt circuit. Moreover, a synthetic negative capacitance is added to the shunt circuit to enhance the electromechanical coupling in the energy conversion and, as a consequence, improve the vibration damping. Validation of the proposed method is done by bonding the piezoelectric absorber on a metallic shell to attenuate vibrations. The circuitry is implemented using analog components.

Atuadores Piezelétricos Flextensionais consistem de uma estrutura flexível atuada por cerâmicas piezelétricas (ou “pilhas” de cerâmicas). A estrutura flexível conectada a piezocerâmica deve gerar deslocamentos e forças em diferentes pontos específicos do domínio, para uma direção especificada. Estes atuadores são usados em aplicações de mecânica de precisão, tal como, sistemas microeletromecânicos (MEMS), manipulador de células, interferometria laser, equipamentos de nanotecnologia, equipamentos de microcirurgias, nanoposicionadores, sonda de varredura microscópica, e etc. Porém, devido ao fato destes atuadores consistirem principalmente de um mecanismo flexível, seu projeto é complexo. A estrutura flexível comporta-se como um transformador mecânico pela amplificação para converter, direcionar e amplificar os pequenos deslocamentos gerados pela piezocerâmica (ordem de nanômetros). A estrutura flexível é projetada distribuindo-se flexibilidade e rigidez no domínio de projeto, o que pode ser obtido usando a otimização topológica. Portanto, o objetivo deste trabalho é implementar um método sistemático baseado no método de otimização topológica para projetar atuadores piezelétricos flextensionais. Essencialmente, o método de otimização topológica consiste em encontrar a distribuição ótima de material perfurando o domínio de projeto com infinitos microfuros. O material em cada ponto pode alterar de vazio a total presença de material, também assumindo material intermediário (ou compósito). A implementação do método de otimização topológica é baseado no modelo de material SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization). O problema de otimização é posto como a maximização dos deslocamentos gerados (ou força de blocagem) em diferentes pontos e direções especificadas do domínio. Considerando o comportamento linear da piezocerâmica. Alterando a flexibilidade e a rigidez da estrutura flexível conectada a piezocerâmica obtém-se diferentes tipos de atuadores piezelétricos flextensionais, que podem ser projetados para determinadas aplicações. Para ilustrar o método, os exemplos mostrados são modelos bidimensionais (2D), uma vez que a maior parte das aplicações envolve dispositivos planos. Estes atuadores são fabricados usando corrosão química em chapas de cobre abaixo de 200 μm de espessura através do método de litografia. Técnica de corrosão química tem um baixo custo e permite-nos fabricar diversos protótipos para testes. Esta técnica pode ser facilmente utilizada no LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron – Campinas). Análise experimental destes protótipos são procedidas para medição de deslocamentos usando uma Probe Station. Como trabalho futuro, estes protótipos serão construídos em escala de MEMS. / Flextensional Piezoelectric Actuators consist of a flexible structure actuated by piezoelectric ceramics (or a stack of piezoceramics). The flexible structure connected to the piezoceramic must generate displacements and forces in different specified points of the domain, according to a specific direction. These actuators are applied to precision mechanic applications such as microelectromechanical systems (MEMS), cell manipulators, laser interferometers, nanotechnology equipment, microsurgery equipment, nanopositioners, scanning probe microscopy, etc. However, due to the fact these actuators essentially consist of a compliant mechanism their design is complex. The compliant structure behaves as a mechanical transform by amplifying and changing the direction of small output displacements generated by piezoceramics (order of nanometer). The flexible structure is designed by distributing flexibility and stiffness in the design domain, which can be archieved by using topology optimization. Therefore, the objective of this work is to implement a systematic method based on topology optimization method to design flextensional piezoelectric actuators. Essentially, the topology optimization method consists of finding the optimal material distribution in a perforated design domain with infinite microvoids. The material in each point can change from void to full material, also assuming intermediate (or composite) material. The implemented topology optimization method is based on the SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization) material model. The optimization problem is posed as maximization of output displacements (or grabbing forces) in different specified directions and points of the domain. A linear behavior of piezoceramic is considered. By changing the flexibility and stiffness of flexible structure connected to the piezoceramics different types of flextensional piezoelectric actuators can be designed for a desired application. To illustrate the method, examples presented herein are limited to two-dimensional (2D) models once in most part of applications of these actuators they are planar devices. These actuators are manufactured by using chemical corrosion on a 200 um thickness copper plate through lithography method. Chemical corrosion technique has a low cost and it allow us to manufacture several prototypes for testing. For this technique, facilities of the micromachining laboratory of National Sincroton Light Laboratory (LNLS - Campinas) are used. Experimental analysis of these prototypes are conducted by measuring displacements using a probe station. As a future work, these prototypes will be built in a MEMS scale.