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[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.

Características de dirigibilidade de um veículo automotivo foram estudadas com o auxílio de uma ferramenta computacional para simulação de sistemas multicorpos integrado a um controle de estabilidade direcional virtual. O modelo do veículo simplificado utilizado, de três graus de liberdade, proporciona o cálculo em tempo real das grandezas utilizadas para o controle de atitude de veículos, como velocidade em guinada e ângulo de deriva. Por isso, sua utilização como modelo de referência. O controle desenvolvido se mostrou bastante confiável e suficientemente simples. Os resultados mostraram boa aproximação através de uma avaliação subjetiva do comportamento do veículo. Finalmente, pode ser observado que o uso de ferramentas com uma interface amigável com o usuário proporcionam tempos de desenvolvimento mais curtos e estudos paramétricos mais fáceis, possibilitando ao projetista alcançar as características desejadas do veículo com custos muito menores / Handling characteristics of an automotive vehicle were studied with the aid of a computational tool for mutibody system simulation integrated to a virtual directional stability control. The simplified vehicle model used, a three degrees of freedom model, makes possible the real time calculus of the parameters used in the yaw active control systems, like yaw rate and vehicle sideslip angle. Due to that, the use of it as a reference model. The developed control strategy is enough credible and sufficiently simple. Results showed good agreement through the subjective vehicle evaluation. Finally, it can be observed that the use of a tool with a user friendly interface makes development times shorter and parametric studies easier, enabling the designer to achieve the desired vehicle characteristics control much less costly

Durante as últimas décadas, têm sido realizados vários estudos sobre a aplicação de veículos suspensos como em teleféricos, bondinhos, linhas de transporte e/ou montagem em indústrias, e robôs para finalidades diversas. Como veículos suspensos possuem comportamento de pêndulo, estão suscetíveis as ações de forças externas que geram oscilações e balanços indesejados no veículo que podem comprometer sua função e segurança. Um levantamento bibliográfico mostrou a deficiência de estudos de sistemas que mantenham a estabilidade física de veículos suspensos. Usando conceitos de conservação de energia e quantidade de movimento foi concebida a ideia de desmembrar o corpo do veículo suspenso em duas partes, uma massa fixa e uma massa móvel de atuação e estabilização da estrutura do veículo; dessa forma fazendo uso apenas de componentes internos ao veículo, uma vez que em sistemas suspensos é grande a dificuldade de aplicação de forças externas para correção de posicionamento. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema ativo de autoestabilização para veículos suspensos capaz de amenizar os efeitos de forças externas que possam comprometer a atividade desempenhada pelo veículo. Para a autoestabilização foi montado um sistema de controle em malha fechada com sensor de detecção de inclinação (posição) e atuador com motor de corrente contínua para deslocar uma massa móvel dentro do robô suspenso, acionados por um microcontrolador embarcado. A eficiência do sistema foi comprovada com a montagem de um protótipo, onde uma programação baseada em controle proporcional e derivativo foi suficiente para garantir uma eficiente e rápida estabilização no robô quando sujeito a forças externas como atuação de ventos, por exemplo. / During the last decades, many researches and studies have been done about suspended vehicles such as chair lifts, cable cars, carrying and assemblies of parts in the industry, etc. Suspended vehicles behave like a pendulum and they are susceptible to the action of external forces which cause oscillations and unwanted swing at the vehicle that may affect function and security of the vehicle. For several applications it is important to keep the physical stability of suspended vehicles (or part of them), such as in autonomous robots for inspection. In suspended systems it is very difficult to apply external forces to correct its position due the swing; so, it is proposed a new stabilizing system for suspended vehicles based on the conservation of energy and quantity of motion. Using only internal components of the suspended vehicle, the mass of the system was separated in two parts: an active mobile part that stabilizes a fixed part such as the structure of the vehicle. In this work, it is described an active system for swing control on suspended vehicles, able to soften the effects of external forces that can dangerously damage the performance of the vehicle. An autonomous off-board microcontroller with feed-back program was assembled to stabilize the structure of the vehicle by using an inclination sensor attached to it. A DC motor is used to move the mobile part of the suspended vehicle to correct the equilibrium of the vehicles structure. The microcontroller program based on proportional-derivative control system was implemented and tests were performed on a prototype vehicle. A good performance of the system was obtained with an efficient and fast stabilization of the prototype structure under the action of external forces, such as wind forces.

Características de dirigibilidade de um veículo automotivo foram estudadas com o auxílio de uma ferramenta computacional para simulação de sistemas multicorpos integrado a um controle de estabilidade direcional virtual. O modelo do veículo simplificado utilizado, de três graus de liberdade, proporciona o cálculo em tempo real das grandezas utilizadas para o controle de atitude de veículos, como velocidade em guinada e ângulo de deriva. Por isso, sua utilização como modelo de referência. O controle desenvolvido se mostrou bastante confiável e suficientemente simples. Os resultados mostraram boa aproximação através de uma avaliação subjetiva do comportamento do veículo. Finalmente, pode ser observado que o uso de ferramentas com uma interface amigável com o usuário proporcionam tempos de desenvolvimento mais curtos e estudos paramétricos mais fáceis, possibilitando ao projetista alcançar as características desejadas do veículo com custos muito menores / Handling characteristics of an automotive vehicle were studied with the aid of a computational tool for mutibody system simulation integrated to a virtual directional stability control. The simplified vehicle model used, a three degrees of freedom model, makes possible the real time calculus of the parameters used in the yaw active control systems, like yaw rate and vehicle sideslip angle. Due to that, the use of it as a reference model. The developed control strategy is enough credible and sufficiently simple. Results showed good agreement through the subjective vehicle evaluation. Finally, it can be observed that the use of a tool with a user friendly interface makes development times shorter and parametric studies easier, enabling the designer to achieve the desired vehicle characteristics control much less costly

Durante as últimas décadas, têm sido realizados vários estudos sobre a aplicação de veículos suspensos como em teleféricos, bondinhos, linhas de transporte e/ou montagem em indústrias, e robôs para finalidades diversas. Como veículos suspensos possuem comportamento de pêndulo, estão suscetíveis as ações de forças externas que geram oscilações e balanços indesejados no veículo que podem comprometer sua função e segurança. Um levantamento bibliográfico mostrou a deficiência de estudos de sistemas que mantenham a estabilidade física de veículos suspensos. Usando conceitos de conservação de energia e quantidade de movimento foi concebida a ideia de desmembrar o corpo do veículo suspenso em duas partes, uma massa fixa e uma massa móvel de atuação e estabilização da estrutura do veículo; dessa forma fazendo uso apenas de componentes internos ao veículo, uma vez que em sistemas suspensos é grande a dificuldade de aplicação de forças externas para correção de posicionamento. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema ativo de autoestabilização para veículos suspensos capaz de amenizar os efeitos de forças externas que possam comprometer a atividade desempenhada pelo veículo. Para a autoestabilização foi montado um sistema de controle em malha fechada com sensor de detecção de inclinação (posição) e atuador com motor de corrente contínua para deslocar uma massa móvel dentro do robô suspenso, acionados por um microcontrolador embarcado. A eficiência do sistema foi comprovada com a montagem de um protótipo, onde uma programação baseada em controle proporcional e derivativo foi suficiente para garantir uma eficiente e rápida estabilização no robô quando sujeito a forças externas como atuação de ventos, por exemplo. / During the last decades, many researches and studies have been done about suspended vehicles such as chair lifts, cable cars, carrying and assemblies of parts in the industry, etc. Suspended vehicles behave like a pendulum and they are susceptible to the action of external forces which cause oscillations and unwanted swing at the vehicle that may affect function and security of the vehicle. For several applications it is important to keep the physical stability of suspended vehicles (or part of them), such as in autonomous robots for inspection. In suspended systems it is very difficult to apply external forces to correct its position due the swing; so, it is proposed a new stabilizing system for suspended vehicles based on the conservation of energy and quantity of motion. Using only internal components of the suspended vehicle, the mass of the system was separated in two parts: an active mobile part that stabilizes a fixed part such as the structure of the vehicle. In this work, it is described an active system for swing control on suspended vehicles, able to soften the effects of external forces that can dangerously damage the performance of the vehicle. An autonomous off-board microcontroller with feed-back program was assembled to stabilize the structure of the vehicle by using an inclination sensor attached to it. A DC motor is used to move the mobile part of the suspended vehicle to correct the equilibrium of the vehicles structure. The microcontroller program based on proportional-derivative control system was implemented and tests were performed on a prototype vehicle. A good performance of the system was obtained with an efficient and fast stabilization of the prototype structure under the action of external forces, such as wind forces.

Energetic limitations in low scale Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) sometimes turns outdoor field applications impractical, which restricts the realization of several tasks that could potentially be improved or benefited from its sounding characteristics. Depending on the mission, Mini Aerial Vehicles (MAVs) energetic resources may be mostly wasted during the round trip from launching base and target point around which a given mission must be accomplished. In this sense, the initial deployment problem becomes prominent, raising new opportunities on how aerial robots may be launched/deployed. This work presents a novel perspective in morphological adaptations for aerial robotics that may potentially minimize initial deployment problem issues. From that perspective, we present three novel morphologies. First refers to a hybrid fixed-wing/quadrotor aiming in-flight launching possibilities. Still looking at in-flight launching, second MAV regards to a new morphology for a quadrotor whose center of gravity is shifted in order to improve passive static stability. Third one relates to a hybrid MAV that combines a watercraft and a quadrotor. The aircraft may navigate on water with low energetic cost through a specially designed structure. It also presents static stability in air and over the ground. We present all details concerning new concepts, development, analysis, design and flight simulation for all three novel platforms. A concise and robust validation of stability control is firstly performed with the ©VICON vision system. Finally, on-the-field evaluation for all three morphologies are extensively carried out, presenting optimistic experimental results of our findings. / As limitações energéticas em robótica aérea de campo muitas vezes levam à sua não utilização em tarefas que poderiam se beneficiar substancialmente de suas inúmeras vantagens. Dependendo da complexidade da missão, os recursos energéticos podem ser despendidos prematuramente ainda durante o traslado ao ponto de interesse. Nesse contexto, se evidencia o problema do lançamento inicial de robôs, o que faz surgir novas possibilidades para o desenvolvimento de novas maneiras de lançá-los. Este trabalho propõe uma nova perspectiva para adaptações morfológicas para robótica aérea as quais podem significativamente minimizar os efeitos das limitações energéticas. Sob essa ótica, são propostas três novas morfologias. A primeira consiste de um robô aéreo híbrido asa fixa/quadrotor visando a possibilidade do lançamento em voo. A segunda consiste de uma aeronave de asa rotativa na configuração quadrotora morfologicamente adaptada para reposicionamento do seu centro de gravidade. O aumento da estabilidade estática passiva da aeronave também visa o seu lançamento durante o voo. A terceira se refere a um veículo aéreo híbrido que combina uma estrutura naval e um quadrotor, capaz de navegar em cenários aquáticos com baixo custo energético. O desenho mecânico resultante permite sua operação no ponto ótimo tanto para a navegação aérea quanto aquática, oferecendo estabilidade estática em todos os cenários (terra, ar e água). São apresentados todos os detalhes de conceito, concepção, análise, projeto e simulação em voo das três novas plataformas. Uma validação robusta dos sistemas de controle e estabilidade é realizada por sistema de visão ©VICON. Por fim, ensaios em campo são realizados, apresentando resultados experimentais otimistas para a aplicação das três novas morfologias.

Este trabalho aborda o problema de análise de estabilidade e estabilização de sistemas não-lineares racionais sujeitos a saturação. A abordagem utilizada neste estudo é baseada em representações algébricas diferenciais (DAR) de sistemas racionais e na versão modificada da condição de setor generalizada para lidar com a saturação. Inicialmente, métodos para caracterizar a estabilidade de sistemas em tempo discreto sujeitos a perturbações são propostos. Neste contexto, apresentam-se abordagens na forma de desigualdades matriciais lineares (do inglês, Linear Matrix Inequalities) para o cálculo de estimativas da região de atração do sistema, bem como limites para uma classe de perturbações admissíveis ℓ2 de forma a garantir que as trajetórias sejam limitadas e estimativas do ganho ℓ2 do sistema. Duas abordagens são consideradas: a primeira é baseada em uma única função de Lyapunov quadrática e a segunda considerando funções de Lyapunov quadráticas por partes. Em seguida, técnicas para síntese de compensadores anti-windup são propostas com o objetivo de aumentar a região de atração de sistemas em tempo contínuo. As condições são desenvolvidas e incorporadas em um algoritmo iterativo, sendo que a cada iteração é resolvido um problema de otimização convexa com restrições na forma de LMIs. Tais resultados são estendidos para lidar com sistemas incertos e sistemas sujeitos a perturbações. Com o objetivo de evitar métodos iterativos e facilitar a aplicação em sistemas multivariáveis propõe-se uma nova abordagem para sintetizar este tipo de compensador (diretamente na forma de LMIs). Extensões dos resultados são apresentadas para tratar sistemas em tempo discreto. Por fim, é apresentada uma abordagem para síntese de realimentação estática de estados. Estes métodos são baseados em condições de estabilização local permitindo, simultaneamente, calcular o ganho de realimentação de estados e uma função de Lyapunov que leva a uma estimativa maximizada da região de atração do sistema em malha fechada. Propõe-se também uma extensão dos resultados abordando sistemas em tempo discreto. Exemplos numéricos são apresentados com o objetivo de ilustrar a aplicação e verificar a eficiência dos métodos propostos. / This work addresses the problem of stability analysis and stabilization of nonlinear rational systems subject to saturation. The approach used in this study is based on the differential algebraic representation (DAR) of rational systems and on a modified version of the generalized sector condition to deal with saturation. First, methods to characterize the stability of discrete-time systems subject to disturbances are proposed. In this context, approaches based on linear matrix inequalities to compute estimates of the region of attraction of the system, as well as limits for a class of admissible ℓ2 disturbances to ensure bounded trajectories and estimates of the ℓ2-gain of the system are presented. Two approaches are considered: the first one based on a single quadratic Lyapunov function and the second one considering piecewise quadratic Lyapunov functions. Then, techniques for the synthesis of anti-windup compensators are proposed in order to enlarge the region of attraction of continuous-time systems. The conditions are developed and incorporated into an iterative algorithm, where at each iteration, a convex optimization problem with LMI constraints is solved. These results are extended to deal with uncertain systems and systems subject to disturbances. In order to avoid iterative methods and facilitate the application to multivariable systems, a new approach to synthesize this type of compensator (directly in terms of LMI) is proposed. Extensions of the results are also presented to deal with discrete-time systems. Finally, a method for the synthesis of static state feedback gains is proposed. This method is based on local stabilization conditions which allow to calculate the state feedback gain and a Lyapunov function leading to a maximized estimate of the region of attraction of the closed-loop system. The extension of these results for the case of discrete-time systems is also addressed. Numerical examples are presented in order to illustrate the application and to verify the efficiency of the proposed methods.