Este trabalho apresenta a aplicação da teoria de Controle Robusto H-infinito em modelo não linear de sistema de suspensão ativa com Atuador Tubular de Ímã Permanente (ATIP). Os principais objetivos na aplicação dos sistemas ativos de suspensão são a obtenção de melhores níveis de conforto do usuário e dirigibilidade do veículo em relação aos sistemas de suspensão passivo e semi-ativo, e a manutenção dos limites de deslocamento da suspensão. Inicialmente, são apresentados os modelos de suspensão ativa de um quarto de carro e carro completo, utilizados respectivamente como planta para o projeto dos controladores H-infinito e como modelo para as simulações dos sistemas de suspensão em malha fechada. Em seguida, o conjunto de controladores H-infinito e desenvolvido, baseado em especificações de projeto definidas, para posterior avaliação e comparação dos sistemas projetados. Verificações de robustez dos sistemas de suspensão ativos, utilizando-se da Análise-µ como ferramenta de avaliação, são feitas em conjunto com as análises de desempenho de cada sistema. A avaliação de desempenho dos sistemas é realizada tanto no domínio do tempo (avaliando-se angulações, velocidades, acelerações, defexões e energia do sistema) quanto no domínio da frequência (através da análise de densidade espectral de potência, ou Power Spectral Density (PSD), das acelerações verticais do veículo e do esforço de controle do atuador). A excitação do sistema é realizada por meio de distúrbios impostos às posições das rodas, dos tipos determinístico e estocástico, representativos de condições reais da aplicação de um veículo. O conjunto de controladores desenvolvido neste trabalho apresenta resultados satisfatórios para distúrbios de entrada do tipo determinísticos e estocásticos, com ganhos de desempenho dos sistemas de suspensão ativa em relação ao sistema passivo de referência de até 34; 92% para a métrica de avaliação do conforto do usuário, de 17; 23% para a métrica da manutenção da dirigibilidade, e de 43; 48% e 30; 10% para as métricas das acelerações dos ângulos de arfagem e de rolagem da carroceria, respectivamente. / This work presents the application of the H-infinity robust control theory into a non-linear model of active suspension system with a Tubular Permanent Magnet Actuator (TPMA). The main objectives in the application of the active suspension systems are the achievement of greater levels of comfort to the user and of road holding for the vehicle, when compared to the passive and semi-active suspension systems, besides the maintenance of suspension displacement limits. Initially are presented the active suspension models of a quarter-car and of a full-car, used respectively as a plant for the design of the H-infinity controllers and as a model for the simulations of the closed loop suspension systems. In the sequel, the controllers are developed, based on properly defined specifications, for further evaluation and comparison among the systems designed. Robustness verications of the active suspension systems, using the µ-Analysis as assessment tool, are performed together with the performance analysis of each system. The performance evaluation of the systems is performed both in the time domain (assessing angles, speeds, accelerations, dections and the energy of the system) and in the frequency domain (through the analysis of Power Spectral Density (PSD) of vertical accelerations of the vehicle and the control efort of the actuator). The excitation of the system is carried out by means of disturbances imposed to the vertical wheel\'s positions. Those disturbances are of deterministic and stochastic types, which are representatives of real working conditions of the vehicle. The set of controllers developed in this work presents satisfactory results for both deterministic and stochastic input disturbances, with performance gains of the active suspension systems in relation to the passive system of reference up to 34; 92%, 17; 23%, 43; 48% and 30; 10% respectively to the assessment metrics of user comfort, handling maintenance and acceleration of the pitch and roll angles of the chassis.

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

Este trabalho apresenta a aplicação da teoria de Controle Robusto H-infinito em modelo não linear de sistema de suspensão ativa com Atuador Tubular de Ímã Permanente (ATIP). Os principais objetivos na aplicação dos sistemas ativos de suspensão são a obtenção de melhores níveis de conforto do usuário e dirigibilidade do veículo em relação aos sistemas de suspensão passivo e semi-ativo, e a manutenção dos limites de deslocamento da suspensão. Inicialmente, são apresentados os modelos de suspensão ativa de um quarto de carro e carro completo, utilizados respectivamente como planta para o projeto dos controladores H-infinito e como modelo para as simulações dos sistemas de suspensão em malha fechada. Em seguida, o conjunto de controladores H-infinito e desenvolvido, baseado em especificações de projeto definidas, para posterior avaliação e comparação dos sistemas projetados. Verificações de robustez dos sistemas de suspensão ativos, utilizando-se da Análise-µ como ferramenta de avaliação, são feitas em conjunto com as análises de desempenho de cada sistema. A avaliação de desempenho dos sistemas é realizada tanto no domínio do tempo (avaliando-se angulações, velocidades, acelerações, defexões e energia do sistema) quanto no domínio da frequência (através da análise de densidade espectral de potência, ou Power Spectral Density (PSD), das acelerações verticais do veículo e do esforço de controle do atuador). A excitação do sistema é realizada por meio de distúrbios impostos às posições das rodas, dos tipos determinístico e estocástico, representativos de condições reais da aplicação de um veículo. O conjunto de controladores desenvolvido neste trabalho apresenta resultados satisfatórios para distúrbios de entrada do tipo determinísticos e estocásticos, com ganhos de desempenho dos sistemas de suspensão ativa em relação ao sistema passivo de referência de até 34; 92% para a métrica de avaliação do conforto do usuário, de 17; 23% para a métrica da manutenção da dirigibilidade, e de 43; 48% e 30; 10% para as métricas das acelerações dos ângulos de arfagem e de rolagem da carroceria, respectivamente. / This work presents the application of the H-infinity robust control theory into a non-linear model of active suspension system with a Tubular Permanent Magnet Actuator (TPMA). The main objectives in the application of the active suspension systems are the achievement of greater levels of comfort to the user and of road holding for the vehicle, when compared to the passive and semi-active suspension systems, besides the maintenance of suspension displacement limits. Initially are presented the active suspension models of a quarter-car and of a full-car, used respectively as a plant for the design of the H-infinity controllers and as a model for the simulations of the closed loop suspension systems. In the sequel, the controllers are developed, based on properly defined specifications, for further evaluation and comparison among the systems designed. Robustness verications of the active suspension systems, using the µ-Analysis as assessment tool, are performed together with the performance analysis of each system. The performance evaluation of the systems is performed both in the time domain (assessing angles, speeds, accelerations, dections and the energy of the system) and in the frequency domain (through the analysis of Power Spectral Density (PSD) of vertical accelerations of the vehicle and the control efort of the actuator). The excitation of the system is carried out by means of disturbances imposed to the vertical wheel\'s positions. Those disturbances are of deterministic and stochastic types, which are representatives of real working conditions of the vehicle. The set of controllers developed in this work presents satisfactory results for both deterministic and stochastic input disturbances, with performance gains of the active suspension systems in relation to the passive system of reference up to 34; 92%, 17; 23%, 43; 48% and 30; 10% respectively to the assessment metrics of user comfort, handling maintenance and acceleration of the pitch and roll angles of the chassis.

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-22T23:18:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Medeiros_MarianeMendes_M.pdf: 1617094 bytes, checksum: d2be1eafefa6985fbd91c7c052f71868 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O presente trabalho propõe o estudo de estruturas flexíveis e controle de vibrações sob a ótica da otimização simultânea de ambos. Iniciando pela modelagem da estrutura, é apresentada a justificativa para o uso de Elementos Finitos e modelagem no Espaço de Estados, passando ainda pela realização balanceada e redução de ordem do sistema. Na sequência, é descrita a síntese do controlador ??, que parte do princípio da minimização da Norma ?? do sistema. A solução do problema é então apresentada sob a abordagem das Desigualdades Matriciais Lineares, enfoque mais atual devido às suas propriedades de linearidade e convexidade quando aplicada dentro da teoria de controle. Em se tratando do processo de otimização, é desenvolvido um estudo sobre o método simultâneo, onde parâmetros da estrutura são otimizados juntamente com os do controlador de maneira a diminuir os efeitos negativos entre as dinâmicas quando otimizadas separadamente. Ainda assim, são apresentadas duas outras abordagens como forma de comparação: a Ativa Serial e a Passiva Estrutural. Para todos os três casos, a técnica escolhida para a resolução do problema de otimização foi o Algoritmo Genético, cujas vantagens e desvantagens são mostradas junto com toda a descrição de conceitos envolvidos, considerando seus operadores, fluxo algorítmico e até mesmo critérios de parada. Por fim, serão apresentados os resultados analisados sobre um modelo de uma viga engastada, submetida à distúrbios externos, através de uma simulação em MATLAB que engloba todos os conceitos estudados / Abstract: The present work proposes the study of flexible structures and vibration control under the light of simultaneous optimization. Starting by structure modeling, it presents the reason for use Finite Element and State-Space modeling, passing also through the balanced realization and order reduction of the system. Sequentially, it describes the synthesis of ?? controller, which considers the minimization of ?? norm of the system. The solution of the problem is then presented under Linear Matrix Inequalities approach, the most up-to-date method due to linearity and convexity properties when applied to control theory. Regarding optimization process, it is developed a study of a simultaneous optimization method where structure parameters are optimized along with the controller ones, aiming to diminish negative influence between dynamics when separately optimized. Even tough, two other approaches are presented by means of comparison: Serial Active and Structural Passive. For all three cases, the chosen technique to solve the optimization problem was the Genetic Algorithm whose advantages and disadvantages are shown along with a description of all involved concepts, considering its operators, algorithmic flux and even stopping criteria. Last, the results analysed over a clamped beam model subjected to external disturbances are shown, through a MATLAB simulation that encloses all studied concepts / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Grace Silva Deaecto / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-27T00:51:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_GuilhermeCavalari_M.pdf: 16424850 bytes, checksum: 7f2f16f9c4c4f920f928c8d19273978a (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Esta dissertação trata do projeto de controle H2 e Hoo via realimentação de estado para sistemas afins com comutação a tempo contínuo. Nosso objetivo principal é projetar um conjunto de ganhos de realimentação de estado e uma função de comutação assegurando estabilidade assintótica global do ponto de equilíbrio desejado. Este ponto deve pertencer a um conjunto de pontos de equilíbrio atingíveis a ser determinado. Além disso, o projeto deve levar em conta índices de desempenho H2 e Hoo que são adequadamente definidos. Para o projeto de controle Hoo, duas funções de comutação são propostas e discutidas. A primeira delas depende somente do estado, enquanto a segunda representa uma nova proposta que é mais geral e depende também da entrada externa. As condições obtidas são menos conservadoras do que as técnicas recentes disponíveis na literatura, por exemplo, os métodos baseados na função de Lyapunov do tipo máximo e os utilizados normalmente para assegurar estabilidade prática. Exemplos numéricos ilustram os resultados teóricos obtidos e são usados para comparações / Abstract: This Master's thesis deals with state feedback H2 and Hoo control design of continuous-time switched affine systems. Our main goal is to design a set of state feedback gains and a switching function assuring global asymptotical stability of a desired equilibrium point. This point must belong to a set of attainable equilibrium points to be determined. Moreover, the design must consider H2 and Hoo performance indexes to be defined. For the Hoo control design, two different switching functions are proposed and discussed. The first one depends only on the state and the other depends on the state and on the external input. The conditions are less conservative than the techniques available in the literature to date, as for instance, those based on a max-type Lyapunov function and those commonly used to assure practical stability. Numerical examples illustrate the theoretical results and are used for comparisons / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Nos últimos anos, tem havido grande interesse em estudar manipuladores paralelos, aplicados principalmente em simuladores de voo, com seis graus de liberdade. O interesse em estruturas cinemáticas paralelas é motivado por sua alta rigidez e excelente capacidade de posicionamento em relação às estruturas cinemáticas seriais. Além disso, como os atuadores são posicionados em uma base, eles podem ser aplicados em cargas pesadas e ainda apresentam baixo consumo de energia, tendo em vista que vários atuadores atuam simultaneamente no mesmo corpo. A presente tese apresenta o projeto de três controladores, sendo eles, o controlador H infinito com realimentação de saída, o controlador PID e o controlador Fuzzy, com isto, esta metodologia poderá ser empregada na construção de um futuro simulador de voo. O modelo dos atuadores foi obtido através de uma entrada degrau de tensão nos motores, medindo os seus deslocamentos através dos encoders acoplados, individualmente, a cada um dos respectivos eixos dos motores. Sabendo-se a relação de transmissão do mecanismo de movimento entre o motor e cada haste dos atuadores obtém-se o deslocamento de cada haste a partir da rotação de cada motor medida pelo correspondente encoder e com isso obtém-se o modelo matemático de cada atuador em conjunto com seu sistema de transmissão. Entretanto, na prática, cada atuador é ligeiramente diferente dos outros, o que leva a comportamento e desempenho diferentes entre si. Isso afeta o comportamento da plataforma fazendo com que a trajetória final desejada não possa ser seguida adequadamente, algo que é extremamente necessário em simuladores de voo. Assim, uma das contribuições importantes deste trabalho é, em primeiro lugar, apresentar uma metodologia de padronização das respostas dos atuadores de modo a que todos eles tenham no final, um comportamento igual o mais próximo possível, particularmente em termos de velocidade e de posicionamento. Com os dados da cinemática e da dinâmica da plataforma compondo o modelo completo do sistema foram realizadas várias simulações que aplicadas na plataforma de Stewart real validaram o modelo e mostraram a eficiência das técnicas de controle aplicadas no controle de posição e orientação da plataforma. Para validar o projeto da Plataforma de Stewart como uma possível base de movimento de um simulador de voo, foi implementada a dinâmica longitudinal e lateral de um Boeing 747-100, e com o auxilio de um sensor inercial Xsens® MTi-G, foram realizadas as medições dos ângulos de Euler da Plataforma. Os resultados obtidos pelos três controladores foram satisfatórios e ilustram o desempenho e a robustez da metodologia proposta. / In recent years there has been great interest in studying parallel manipulators, mainly applied in flight simulators, with six degrees of freedom. The interest in parallel kinematic structures is motivated by its high stiffness and excellent positioning capability in relation to serial kinematic structures. Furthermore, since the actuators are positioned on a base, they can handle heavy loads and also have low power consumption, considering that several actuators act on the same platform. This thesis presents the design of three controllers, which are, H-infinity controller with output feedback, PID controller and Fuzzy controller, so that this methodology can be employed in building a future flight simulator. The actuators models were obtained by a step voltage input to the engines and measuring their displacements by the encoders that are coupled to each of the respective axes of the motors. Knowing the relation from the motion transmission mechanism between the motor and the spindle of each actuator, the displacement of each spindle is obtained from the rotation of each motor measured by the corresponding encoder and thus we obtain the mathematical model of each actuator together with its transmission system. However, in practice, each actuator is slightly different from others, which leads to different behavior and performance of each. This affects the behavior of the platform making the final desired trajectory cannot be properly followed something that is extremely necessary in flight simulators. Thus, one of the important contributions of this work is first to present a methodology to standardize the actuators responses so that they all have in the end a behavior equal a close as possible, particularly in terms of velocity and positioning. With the kinematics data and platform dynamics composing the complete system model, several simulations applied to the real Stewart Platform validate the model and show the effectiveness of control techniques applied to control the position and orientation of the platform. In order to validate the Stewart Platform design as a possible base for a motion flight simulator, the longitudinal and lateral dynamics of a Boeing 747-100 model were implemented, and with the aid of an inertial sensor Xsens® MTi-G, measurements of the Euler angles of the platform were performed. The results obtained by the three controllers were satisfactory and illustrate the performance and robustness of the proposed methodology.

Neste trabalho, o equacionamento dinâmico de um manipulador espacial de base livre flutuante é descrito a partir do conceito do manipulador dinamicamente equivalente para que as técnicas de controle desenvolvidas sejam experimentalmente validadas em um manipulador convencional de base fixa. Dois tipos de controle de movimento são considerados. O primeiro foi desenvolvido no espaço das juntas e realiza o comando direto de posicionamento das juntas do manipulador; o segundo foi desenvolvido no espaço inercial e o controle é direcionado para o posicionamento do efetuador no espaço Cartesiano. Nos dois casos, o problema de acompanhamento de trajetória de um manipulador espacial com base livre flutuante sujeito a incertezas na planta e perturbações externas é proposto e solucionado sob o ponto de vista do critério de desempenho H \'INFINITO\'. Considerando métodos de controle para sistemas subatuados, três técnicas adaptativas foram desenvolvidas a partir de um controlador H \'INFINITO\' não-linear baseado na teoria dos jogos. A primeira técnica foi proposta considerando a estrutura do modelo bem definida, porém calculada com base em parâmetros incertos. Uma lei adaptativa foi aplicada para estimar esses parâmetros utilizando parametrização linear. Redes neurais artificiais são aplicadas nas outras duas abordagens adaptativas. A primeira utiliza uma rede neural para aprender o comportamento dinâmico do sistema robótico, considerado totalmente desconhecido. Nenhum dado cinemático ou dinâmico da base é utilizado neste caso. A segunda abordagem considera a estrutura do modelo nominal do manipulador bem definida e a rede neural é aplicada para estimar o comportamento das incertezas paramétricas e da dinâmica não-modelada da base. O critério H \'INFINITO\' é aplicado nas três técnicas para atenuar o efeito dos erros de estimativa. Resultados experimentais foram obtidos com um robô manipulador de base fixa subatuado (UArmII) e apresentaram melhor desempenho no acompanhamento da trajetória e no consumo de energia para as abordagens baseadas em redes neurais. / In the present work, the dynamics of a free-floating space manipulator is described through the dynamically equivalent manipulator approach in order to obtain experimental results in a planar fixed base manipulator. Control in joint and Cartesian spaces are considered. The first acts directly on joints positioning; the second control scheme acts on positioning the end-effector in some inertially fixed position. In both cases, the problem of tracking control with a guaranteed H-infinity performance for free-floating manipulator systems with plant uncertainties and external disturbances is proposed and solved. Considering control methods for underactuated systems, three adaptive techniques were developed from a nonlinear H-infinity controller based on game theory. The first approach was proposed considering a well defined structure for the plant, however it was computed based on uncertain parameters. An adaptive law was applied to estimate these parameters using linear parametrization. Artificial neural networks were applied in the two other approaches. The first one uses a neural network to learn the dynamic behavior from the robotic system, which is considered totally unknown. No kinematics or dynamics data from the spacecraft are necessary in this case. The second approach considers the nominal model structure well defined and the neural network is applied to estimate the behavior of the parametric uncertainties and of the spacecraft non-modeled dynamics. The H-infinity criterion was applied to attenuate the effect of estimation errors in the three techniques. Experimental results were obtained with an underactuated fixed-base planar manipulator (UArmII) and presented better performance in tracking and energy consumption for the neural based approaches.

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.

Neste trabalho, o equacionamento dinâmico de um manipulador espacial de base livre flutuante é descrito a partir do conceito do manipulador dinamicamente equivalente para que as técnicas de controle desenvolvidas sejam experimentalmente validadas em um manipulador convencional de base fixa. Dois tipos de controle de movimento são considerados. O primeiro foi desenvolvido no espaço das juntas e realiza o comando direto de posicionamento das juntas do manipulador; o segundo foi desenvolvido no espaço inercial e o controle é direcionado para o posicionamento do efetuador no espaço Cartesiano. Nos dois casos, o problema de acompanhamento de trajetória de um manipulador espacial com base livre flutuante sujeito a incertezas na planta e perturbações externas é proposto e solucionado sob o ponto de vista do critério de desempenho H \'INFINITO\'. Considerando métodos de controle para sistemas subatuados, três técnicas adaptativas foram desenvolvidas a partir de um controlador H \'INFINITO\' não-linear baseado na teoria dos jogos. A primeira técnica foi proposta considerando a estrutura do modelo bem definida, porém calculada com base em parâmetros incertos. Uma lei adaptativa foi aplicada para estimar esses parâmetros utilizando parametrização linear. Redes neurais artificiais são aplicadas nas outras duas abordagens adaptativas. A primeira utiliza uma rede neural para aprender o comportamento dinâmico do sistema robótico, considerado totalmente desconhecido. Nenhum dado cinemático ou dinâmico da base é utilizado neste caso. A segunda abordagem considera a estrutura do modelo nominal do manipulador bem definida e a rede neural é aplicada para estimar o comportamento das incertezas paramétricas e da dinâmica não-modelada da base. O critério H \'INFINITO\' é aplicado nas três técnicas para atenuar o efeito dos erros de estimativa. Resultados experimentais foram obtidos com um robô manipulador de base fixa subatuado (UArmII) e apresentaram melhor desempenho no acompanhamento da trajetória e no consumo de energia para as abordagens baseadas em redes neurais. / In the present work, the dynamics of a free-floating space manipulator is described through the dynamically equivalent manipulator approach in order to obtain experimental results in a planar fixed base manipulator. Control in joint and Cartesian spaces are considered. The first acts directly on joints positioning; the second control scheme acts on positioning the end-effector in some inertially fixed position. In both cases, the problem of tracking control with a guaranteed H-infinity performance for free-floating manipulator systems with plant uncertainties and external disturbances is proposed and solved. Considering control methods for underactuated systems, three adaptive techniques were developed from a nonlinear H-infinity controller based on game theory. The first approach was proposed considering a well defined structure for the plant, however it was computed based on uncertain parameters. An adaptive law was applied to estimate these parameters using linear parametrization. Artificial neural networks were applied in the two other approaches. The first one uses a neural network to learn the dynamic behavior from the robotic system, which is considered totally unknown. No kinematics or dynamics data from the spacecraft are necessary in this case. The second approach considers the nominal model structure well defined and the neural network is applied to estimate the behavior of the parametric uncertainties and of the spacecraft non-modeled dynamics. The H-infinity criterion was applied to attenuate the effect of estimation errors in the three techniques. Experimental results were obtained with an underactuated fixed-base planar manipulator (UArmII) and presented better performance in tracking and energy consumption for the neural based approaches.