Robôs manipuladores espaciais serão aplicados, em um futuro próximo, em serviços de resgate e manutenção de naves e satélites em órbita. O estudo e o desenvolvimento de controladores para esse tipo de sistema é fundamental para que essas aplicações se tornem realidade. Nesta tese, uma plataforma experimental é construída para possibilitar a avaliação comportamental desse tipo de sistema. Baseada em um módulo de flutuação por colchões de ar, é composta por uma base livre, elos conectados por juntas e efetuadores. Duas possibilidades de flutuação foram definidas para tornar a estrutura mais versátil, a primeira utiliza uma câmara de ar na mesa de apoio e a segunda utiliza câmaras de ar na base e em cada junta do robô. Sua estrutura mecânica modular permite diversas configurações, com um ou dois braços compostos por elos rígidos ou flexíveis. Toda a eletrônica de comando e a alimentação dos componentes do robô são alocadas em sua base flutuante, baseando a comunicação do sistema com o computador remoto em um padrão de comunicação sem fio. O software de controle, desenvolvido em Matlab e residente no computador remoto, apresenta uma interface amigável e intuitiva, possibilitando a utilização tanto do UARM como do robô de base livre flutuante para testes simulados e experimentais de sistemas de controle. A principal característica dos manipuladores espaciais é o acoplamento dinâmico entre a base e o braço robótico. A fim de evitar as complicações envolvidas no mapeamento cinemático desses sistemas, o problema de acompanhamento de trajetória é formulado diretamente no espaço da tarefa. Assim as posições do efetuador do manipulador são diretamente controladas. O equacionamento dinâmico do manipulador de base livre flutuante é descrito a partir do conceito do Manipulador Dinamicamente Equivalente. Propõe-se uma solução de controle adaptativo robusto baseado no critério H Infinito para lidar com o problema de acompanhamento de trajetória sujeito a incertezas no modelo e distúrbios externos. A adaptabilidade das redes neurais é aliada à robustez definida por um controlador H Infinito não linear, compondo diferentes técnicas desenvolvidas de acordo com o conhecimento e a disponibilidade do modelo do robô para o controlador. A análise de resultados de simulação e de experimentos realizados no UARM mostraram a aplicabilidade dos métodos, assim como sua capacidade de robustez. Gráficos ilustraram o procedimento do acompanhamento de trajetória realizado pelo efetuador do manipulador espacial identificando a ação das leis de controle propostas. Uma comparação numérica entre as estratégias foi estabelecida por índices de desempenho relacionados ao consumo de energia e ao erro de acompanhamento / Space manipulators robots will be applied, in a near future, in rescue services and maintenance of spacecraft and satellites in orbit. The study and development of controllers for this type of system is crucial to ensure that those applications become reality. At this thesis, an experimental platform is built to enable behavioral assessment of this type of system. Based on a floating module by air bearings, it is composed by a free base, links connected by joints and end-effectors. Two possibilities of fluctuation were set to make the structure more versatile. The first uses an air chamber in the support desk and the second uses air chambers at the base and in each joint of the robot. Its modular mechanical structure allows a variety of configurations, with one or two arms which may be composed of flexible or rigid links. The entire command electronics and the power of the robots components are allocated in its floating base, basing the system communication with the remote computer in a wireless communication standard. The control software, developed in Matlab and residing on the remote computer, presents a friendly and intuitive interface, enabling the use of both the UARM and the free-floating base robot for simulated and experimental testing of control systems. The main characteristic of space manipulators is the dynamic coupling between the base and the robotic arm. In order to avoid the complications involved in kinematic mapping of these systems, the problem of trajectory tracking is formulated directly in task space. So the positions of the manipulator end-effector are directly controlled. The dynamic equation of the free-floating manipulator is described from the concept of Dynamically Equivalent Manipulator. A solution of adaptive robust control is proposed, based on H¥ criterion to deal with the problem of trajectory tracking subject to uncertainties in the model and external disturbances. The adaptability of neural networks is combined with robustness defined by a nonlinear H Infinite controller composing different techniques developed in accordance with the knowledge and the availability of the robots model to the controller. The analysis of results of simulation and experiments performed in UARM showed the applicability of the methods, as well as its capacity for robustness. Graphs have illustrated the trajectory tracking procedure conducted by the end-effector of the space manipulator identifying the action of control laws proposed. A numerical comparison between the strategies was provided by performance indices related to energy consumption and the tracking error

Robôs manipuladores espaciais serão aplicados, em um futuro próximo, em serviços de resgate e manutenção de naves e satélites em órbita. O estudo e o desenvolvimento de controladores para esse tipo de sistema é fundamental para que essas aplicações se tornem realidade. Nesta tese, uma plataforma experimental é construída para possibilitar a avaliação comportamental desse tipo de sistema. Baseada em um módulo de flutuação por colchões de ar, é composta por uma base livre, elos conectados por juntas e efetuadores. Duas possibilidades de flutuação foram definidas para tornar a estrutura mais versátil, a primeira utiliza uma câmara de ar na mesa de apoio e a segunda utiliza câmaras de ar na base e em cada junta do robô. Sua estrutura mecânica modular permite diversas configurações, com um ou dois braços compostos por elos rígidos ou flexíveis. Toda a eletrônica de comando e a alimentação dos componentes do robô são alocadas em sua base flutuante, baseando a comunicação do sistema com o computador remoto em um padrão de comunicação sem fio. O software de controle, desenvolvido em Matlab e residente no computador remoto, apresenta uma interface amigável e intuitiva, possibilitando a utilização tanto do UARM como do robô de base livre flutuante para testes simulados e experimentais de sistemas de controle. A principal característica dos manipuladores espaciais é o acoplamento dinâmico entre a base e o braço robótico. A fim de evitar as complicações envolvidas no mapeamento cinemático desses sistemas, o problema de acompanhamento de trajetória é formulado diretamente no espaço da tarefa. Assim as posições do efetuador do manipulador são diretamente controladas. O equacionamento dinâmico do manipulador de base livre flutuante é descrito a partir do conceito do Manipulador Dinamicamente Equivalente. Propõe-se uma solução de controle adaptativo robusto baseado no critério H Infinito para lidar com o problema de acompanhamento de trajetória sujeito a incertezas no modelo e distúrbios externos. A adaptabilidade das redes neurais é aliada à robustez definida por um controlador H Infinito não linear, compondo diferentes técnicas desenvolvidas de acordo com o conhecimento e a disponibilidade do modelo do robô para o controlador. A análise de resultados de simulação e de experimentos realizados no UARM mostraram a aplicabilidade dos métodos, assim como sua capacidade de robustez. Gráficos ilustraram o procedimento do acompanhamento de trajetória realizado pelo efetuador do manipulador espacial identificando a ação das leis de controle propostas. Uma comparação numérica entre as estratégias foi estabelecida por índices de desempenho relacionados ao consumo de energia e ao erro de acompanhamento / Space manipulators robots will be applied, in a near future, in rescue services and maintenance of spacecraft and satellites in orbit. The study and development of controllers for this type of system is crucial to ensure that those applications become reality. At this thesis, an experimental platform is built to enable behavioral assessment of this type of system. Based on a floating module by air bearings, it is composed by a free base, links connected by joints and end-effectors. Two possibilities of fluctuation were set to make the structure more versatile. The first uses an air chamber in the support desk and the second uses air chambers at the base and in each joint of the robot. Its modular mechanical structure allows a variety of configurations, with one or two arms which may be composed of flexible or rigid links. The entire command electronics and the power of the robots components are allocated in its floating base, basing the system communication with the remote computer in a wireless communication standard. The control software, developed in Matlab and residing on the remote computer, presents a friendly and intuitive interface, enabling the use of both the UARM and the free-floating base robot for simulated and experimental testing of control systems. The main characteristic of space manipulators is the dynamic coupling between the base and the robotic arm. In order to avoid the complications involved in kinematic mapping of these systems, the problem of trajectory tracking is formulated directly in task space. So the positions of the manipulator end-effector are directly controlled. The dynamic equation of the free-floating manipulator is described from the concept of Dynamically Equivalent Manipulator. A solution of adaptive robust control is proposed, based on H¥ criterion to deal with the problem of trajectory tracking subject to uncertainties in the model and external disturbances. The adaptability of neural networks is combined with robustness defined by a nonlinear H Infinite controller composing different techniques developed in accordance with the knowledge and the availability of the robots model to the controller. The analysis of results of simulation and experiments performed in UARM showed the applicability of the methods, as well as its capacity for robustness. Graphs have illustrated the trajectory tracking procedure conducted by the end-effector of the space manipulator identifying the action of control laws proposed. A numerical comparison between the strategies was provided by performance indices related to energy consumption and the tracking error

Neste mestrado propõe-se um estudo sobre o controle automático de sistemas dinâmicos para o problema de coordenação de robôs móveis. Os movimentos coordenados serão realizados em função de um líder e qualquer robô da formação pode assumir a liderança de maneira aleatória. Os robôs trocam informação através de um grafo direcionado (dígrafo) de comunicação, definido a-priori e, movimentos estáveis são gerados através de uma lei de controle descentralizada baseada nas coordenadas dos robôs. Além disso, as equações dinâmicas não lineares dos robôs são descritas na forma de espaço de estado sendo os parâmetros das matrizes dependentes da velocidade angular das rodas. Esta representação, conhecida como Quase Linear a Parâmetros Variantes (Quase-LPV), é utilizada no projeto de controle H \'INFINITO\' não linear para sistemas dinâmicos. Para garantir a estabilidade da formação quando há alternância de líder ou remoção de robôs, foi feito o controle robusto e controle tolerante a falhas para um grupo de robôs móveis com rodas (RMRs). O controle robusto é baseado em controle H \'INFINITO\' não linear via realimentação do estado e controle H \'INFINITO\' não linear via realimentação da saída. O controle tolerante a falhas é baseado em controle H \'INFINITO\' por realimentação da saída de sistemas lineares sujeitos a saltos Markovianos para garantir a estabilidade da formação quando um dos robôs é perdido durante o movimento coordenado. Resultados em simulação são apresentados para os controladores utilizados. / This dissertation proposes a study on the automatic control of dynamic systems to the problem of coordination of mobile robots. The coordinated motions are performed with the robots following a leader, and any robot of the formation can assume the leadership randomly. The robots exchange informations according to a pre-specified communication directed graph (digraph). Stable motions are generated by a decentralized control law based on the robots coordinates. In addition, the nonlinear dynamic equations of the robots are described in state-space form where the parameters matrices depend on the angular velocities of the wheels. This representation, known as Quasi-Linear Parameter Varying (Quasi-LPV), is useful for control designs based on nonlinear H \'INFINITE\' approaches. To ensure the stability formation when there is alternation of leader or one of the robots is removed, we made a robust control and fault tolerant control for a group of wheeled mobile robots (WMRs). The robust approach is based on state feedback nonlinear H \'INFINITE\' control and output feedback nonlinear H \'INFINITE\' control. The fault tolerant approach is based on output feedback H \'INFINITE\' control of Markovian jump linear systems to ensure stability of the formation when one of the robots is lost during the coordinated motion. Results in simulation are presented for the controllers used.

Neste mestrado propõe-se um estudo sobre o controle automático de sistemas dinâmicos para o problema de coordenação de robôs móveis. Os movimentos coordenados serão realizados em função de um líder e qualquer robô da formação pode assumir a liderança de maneira aleatória. Os robôs trocam informação através de um grafo direcionado (dígrafo) de comunicação, definido a-priori e, movimentos estáveis são gerados através de uma lei de controle descentralizada baseada nas coordenadas dos robôs. Além disso, as equações dinâmicas não lineares dos robôs são descritas na forma de espaço de estado sendo os parâmetros das matrizes dependentes da velocidade angular das rodas. Esta representação, conhecida como Quase Linear a Parâmetros Variantes (Quase-LPV), é utilizada no projeto de controle H \'INFINITO\' não linear para sistemas dinâmicos. Para garantir a estabilidade da formação quando há alternância de líder ou remoção de robôs, foi feito o controle robusto e controle tolerante a falhas para um grupo de robôs móveis com rodas (RMRs). O controle robusto é baseado em controle H \'INFINITO\' não linear via realimentação do estado e controle H \'INFINITO\' não linear via realimentação da saída. O controle tolerante a falhas é baseado em controle H \'INFINITO\' por realimentação da saída de sistemas lineares sujeitos a saltos Markovianos para garantir a estabilidade da formação quando um dos robôs é perdido durante o movimento coordenado. Resultados em simulação são apresentados para os controladores utilizados. / This dissertation proposes a study on the automatic control of dynamic systems to the problem of coordination of mobile robots. The coordinated motions are performed with the robots following a leader, and any robot of the formation can assume the leadership randomly. The robots exchange informations according to a pre-specified communication directed graph (digraph). Stable motions are generated by a decentralized control law based on the robots coordinates. In addition, the nonlinear dynamic equations of the robots are described in state-space form where the parameters matrices depend on the angular velocities of the wheels. This representation, known as Quasi-Linear Parameter Varying (Quasi-LPV), is useful for control designs based on nonlinear H \'INFINITE\' approaches. To ensure the stability formation when there is alternation of leader or one of the robots is removed, we made a robust control and fault tolerant control for a group of wheeled mobile robots (WMRs). The robust approach is based on state feedback nonlinear H \'INFINITE\' control and output feedback nonlinear H \'INFINITE\' control. The fault tolerant approach is based on output feedback H \'INFINITE\' control of Markovian jump linear systems to ensure stability of the formation when one of the robots is lost during the coordinated motion. Results in simulation are presented for the controllers used.