Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização topológica de atuadores piezelétricos em estruturas compostas laminada com o objetivo de atenuar as vibrações estruturais induzidas por excitações externas. Para isso, utiliza-se técnicas de controle ótimo, como o regulador linear quadrático (LQR) e o controlador linear quadrático gaussiano (LQG). Os estados não mensuráveis são estimados através do uso de observadores de estados de ordem completa, usando o filtro de Kalman para a escolha ótima da matriz de ganhos do observador de estados. O problema de otimização topológica é formulado para a localização ótima do atuador piezelétrico composto MFC (Macro Fiber Composite) na camada ativa da placa, determinando a localização mais vantajosa do material MFC através da maximização do índice de controlabilidade. Para o modelo estrutural, é proposto neste trabalho um modelo para a interação entre o atuador MFC e a estrutura. Assume-se que o MFC é uma das lâminas de material ortotrópico que sofre uma deformação inicial a partir da aplicação de um potencial elétrico e que essa deformação terá efeitos sobre o restante da estrutura. Dessa maneira, não é necessário modelar o campo elétrico gerado através dos eletrodos, uma vez que o efeito eletromecânico é considerado analiticamente. A rigidez e a massa do atuador MFC são considerados no modelo estrutural. Os resultados numéricos mostram que o modelo estrutural proposto para representar a interação entre o atuador MFC e a estrutura apresenta boa concordância com resultados experimentais e numéricos encontrados. Além disso, os resultados mostram que a partir do posicionamento ótimo do atuador MFC na estrutura, a técnica de controle implementada permite atenuar as vibrações estruturais. As simulações para uma força de um degrau unitário permitem concluir que a estratégia de controle usando o controlado LQG apresenta melhor desempenho em termos de tempo de assentamento, sobre resposta, amortecimento e sinal de controle, quando comparado com o controlador LQR. / This work presents a topologic optimization methodology of piezoelectric actuators in laminated composite structures with the objective of controlling external perturbation induced by structural vibrations. The Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) optimal control techniques are used. The states are estimated through of the full order state observers, using the Kalman filter to the observer gain matrix. The topology optimization is formulated to find the optimum localization of the Macro Fiber Composite (MFC) active piezoelectric patch, determining the most advantageous location of the MFC, through of the maximization of the controllability index. For the structural model, this work proposes a simplified MFC/structure interaction model. It is assumed that the MFC is one of the orthotropic material layers which has an initial strain arising from the application of an electric potential; this strain acts on the remainder of the structure. This way, modeling the electromechanical interaction between the piezoelectric material and the electric field is unnecessary because this effect is considered analytically. Both the stiffness and the mass of the MFC are taken into account in the structural model. Numerical results show that proposed MFC-structure interaction model presents good agreement with experiments and numerical simulations of models that uses the electromechanical effect. Actuator location optimization results show that the technique implemented improves the structural vibration damping. The response simulations to an unit step force allows to conclude that the control strategy using the LQG controller presents better performance in terms of settling time, overshoot, damping and control signal energy when compared to the LQR controller.

Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização topológica de atuadores piezelétricos em estruturas compostas laminada com o objetivo de atenuar as vibrações estruturais induzidas por excitações externas. Para isso, utiliza-se técnicas de controle ótimo, como o regulador linear quadrático (LQR) e o controlador linear quadrático gaussiano (LQG). Os estados não mensuráveis são estimados através do uso de observadores de estados de ordem completa, usando o filtro de Kalman para a escolha ótima da matriz de ganhos do observador de estados. O problema de otimização topológica é formulado para a localização ótima do atuador piezelétrico composto MFC (Macro Fiber Composite) na camada ativa da placa, determinando a localização mais vantajosa do material MFC através da maximização do índice de controlabilidade. Para o modelo estrutural, é proposto neste trabalho um modelo para a interação entre o atuador MFC e a estrutura. Assume-se que o MFC é uma das lâminas de material ortotrópico que sofre uma deformação inicial a partir da aplicação de um potencial elétrico e que essa deformação terá efeitos sobre o restante da estrutura. Dessa maneira, não é necessário modelar o campo elétrico gerado através dos eletrodos, uma vez que o efeito eletromecânico é considerado analiticamente. A rigidez e a massa do atuador MFC são considerados no modelo estrutural. Os resultados numéricos mostram que o modelo estrutural proposto para representar a interação entre o atuador MFC e a estrutura apresenta boa concordância com resultados experimentais e numéricos encontrados. Além disso, os resultados mostram que a partir do posicionamento ótimo do atuador MFC na estrutura, a técnica de controle implementada permite atenuar as vibrações estruturais. As simulações para uma força de um degrau unitário permitem concluir que a estratégia de controle usando o controlado LQG apresenta melhor desempenho em termos de tempo de assentamento, sobre resposta, amortecimento e sinal de controle, quando comparado com o controlador LQR. / This work presents a topologic optimization methodology of piezoelectric actuators in laminated composite structures with the objective of controlling external perturbation induced by structural vibrations. The Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) optimal control techniques are used. The states are estimated through of the full order state observers, using the Kalman filter to the observer gain matrix. The topology optimization is formulated to find the optimum localization of the Macro Fiber Composite (MFC) active piezoelectric patch, determining the most advantageous location of the MFC, through of the maximization of the controllability index. For the structural model, this work proposes a simplified MFC/structure interaction model. It is assumed that the MFC is one of the orthotropic material layers which has an initial strain arising from the application of an electric potential; this strain acts on the remainder of the structure. This way, modeling the electromechanical interaction between the piezoelectric material and the electric field is unnecessary because this effect is considered analytically. Both the stiffness and the mass of the MFC are taken into account in the structural model. Numerical results show that proposed MFC-structure interaction model presents good agreement with experiments and numerical simulations of models that uses the electromechanical effect. Actuator location optimization results show that the technique implemented improves the structural vibration damping. The response simulations to an unit step force allows to conclude that the control strategy using the LQG controller presents better performance in terms of settling time, overshoot, damping and control signal energy when compared to the LQR controller.

With the increased performance and reduced cost of cameras, the robotics community has taken great interest in estimation and control algorithms that fuse camera data with other sensor data.In response to this interest, this dissertation investigates the algorithms needed for robust guidance, navigation, and control of fixed-wing and multirotor aircraft applied to target estimation and circumnavigation.This work begins with the development of a method to estimate target position relative to static landmarks, deriving and using a state-of-the-art EKF that estimates static landmarks in its state.Following this estimator, improvements are made to a nonlinear observer solving part of the SLAM problem.These improvements include a moving origin process to keep the coordinate origin within the camera field of view and a sliding window iteration algorithm to drastically improve convergence speed of the observer.Next, observers to directly estimate relative target position are created with a circumnavigation guidance law for a multirotor aircraft.Taking a look at fixed-wing aircraft, a state-dependent LQR controller with inputs based on vector fields is developed, in addition to an EKF derived from error state and Lie group theory to estimate aircraft state and inertial wind velocity.The robustness of this controller/estimator combination is demonstrated through Monte Carlo simulations.Next, the accuracy, robustness, and consistency of a state-of-the-art EKF are improved for multirotors by augmenting the filter with a drag coefficient, partial updates, and keyframe resets.Monte Carlo simulations demonstrate the improved accuracy and consistency of the augmented filter.Lastly, a visual-inertial EKF using image coordinates is derived, as well as an offline calibration tool to estimate the transforms needed for accurate, visual-inertial estimation algorithms.The imaged-based EKF and calibrator are also shown to be robust under various conditions through numerical simulation.

This thesis deals with complete design and manufacturing of autonomous two wheeled self-balancing robot. The goal of this thesis is to maintain the robot in up-right position and to follow black line using camera. The robot is controlled using Raspberry Pi and driven by DC motors. This thesis includes the design and implementation of hardware and software parts. Subsequently there was created the dynamic model in Matlab/Simulink. Based on this model, the LQR and PID controller was designed.

Matrix Lyapunov and Riccati equations are an important tool in mathematical systems theory. They are the key ingredients in balancing based model order reduction techniques and linear quadratic regulator problems. For small and moderately sized problems these equations are solved by techniques with at least cubic complexity which prohibits their usage in large scale applications. Around the year 2000 solvers for large scale problems have been introduced. The basic idea there is to compute a low rank decomposition of the quadratic and dense solution matrix and in turn reduce the memory and computational complexity of the algorithms. In this thesis efficiency enhancing techniques for the low rank alternating directions implicit iteration based solution of large scale matrix equations are introduced and discussed. Also the applicability in the context of real world systems is demonstrated. The thesis is structured in seven central chapters. After the introduction chapter 2 introduces the basic concepts and notations needed as fundamental tools for the remainder of the thesis. The next chapter then introduces a collection of test examples spanning from easily scalable academic test systems to badly conditioned technical applications which are used to demonstrate the features of the solvers. Chapter four and five describe the basic solvers and the modifications taken to make them applicable to an even larger class of problems. The following two chapters treat the application of the solvers in the context of model order reduction and linear quadratic optimal control of PDEs. The final chapter then presents the extensive numerical testing undertaken with the solvers proposed in the prior chapters. Some conclusions and an appendix complete the thesis.

Orientador: Edvaldo Assunção / Resumo: A principal contribuição dessa tese é propor a representação H2/Hoo do regulador linear quadrático (LQR) para sistemas lineares invariantes no tempo e incertos. A motivação está em atender simultaneamente a minimização da função custo garantido e dos efeitos de entradas exógenas. De início, apresenta-se uma revisão da formulação do problema LQR usando-se a função de Lyapunov quadrática e, posteriormente, sua extensão aos modelos de incertezas. Neste ponto, a literatura volta-se exclusivamente ao uso de funções de Lyapunov com uma única matriz P para testar a estabilidade de todo o domínio de incerteza politópica, que naturalmente conduz a algum conservadorismo. Em vista de reduzir o pressuposto conservadorismo explorou-se técnicas de relaxação matricial através de lemas consolidados na literatura, i.e. Lema de Finsler e Lema da Projeção Recíproca. As novas formulações de síntese robusta permitem obter condições suficientes em desigualdades matriciais lineares (LMIs) por meio de funções de Lyapunov dependentes de parâmetros, embora não considere os efeitos da perturbação no processo de síntese de controle. Logo, o estudo da rejeição à perturbações permitiu obter condições LMIs inéditas envolvendo as normas H2/Hoo . Adicionalmente, é proposto o estudo da robustez da planta em malha fechada, via descrição combinada de incertezas nas matrizes de estados e de entradas, e do controlador, aplicando técnicas de fragilidade via incertezas limitadas por norma. Por fim, propõe-se um mét... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The main contribution of this thesis is to propose the H2/Hoo representation of the Linear Quadratic Regulator (LQR) for linear time-invariant uncertain systems. The motivation is to achieve the minimization of guaranteed cost and the effects of exogenous inputs, simultaneously. Initially, a review of the LQR problem formulation using the quadratic Lyapunov function is presented and after, its extension to the uncertain models. At this point, the literature turns to the use of Lyapunov functions with only one matrix P to test the stability of the whole polytopic domain, which naturally leads to some conservatism. The proposed to reduce the assumption conservatism allowed to explore techniques of matrix relaxation through classic lemmas in the literature, i.e. Finsler and Reciprocal Projection lemmas. The new robust synthesis formulations allow to obtain sufficient conditions in Linear Matrix Inequalities (LMIs) control by means of parameter-dependent Lyapunov functions; however, do not consider the perturbation effects on the control synthesis process. Thus, the study of disturbance rejection allowed to obtain new sufficient conditions via mixed H2/Hoo control. Furthermore, robustness studies of the closed-loop plant are proposed based on a mixed representation of uncertainties in the state and input matrices, and the controller robustness, by applying non-fragile theories via norm-bounded uncertainty. Finally, an LQR gain scheduling control method applied to linear time-vary... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

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Orientador: Edvaldo Assunção / Resumo: Neste trabalho é proposta a resolução do problema do regulador linear quadrático (Linear Quadratic Regulator - LQR) via desigualdades matriciais lineares (Linear Matrix Inequalities - LMIs) para sistemas lineares e invariantes no tempo sujeitos a incertezas politópicas, bem como para sistemas lineares sujeitos a parâmetros variantes no tempo (Linear Parameter Varying - LPV). O projeto dos controladores é baseado na realimentação derivativa. A escolha da realimentação derivativa se dá devido à sua fácil implementação em certas aplicações como, por exemplo, no controle de vibrações. Os sinais usados na realimentação são aceleração e velocidade, sendo obtidos por meio de acelerômetros. Por meio do método proposto é possível obter condições LMIs para a síntese de controladores que garantam a estabilização do sistema em malha fechada, sendo que os controladores possuem desempenho otimizado. Para a formulação das condições LMIs, uma função de Lyapunov do tipo quadrática é utilizada. Exemplos teóricos e simulações são utilizados como forma de validação dos métodos propostos, além de mostrar que os novos resultados apresentam condições menos conservadoras. Além disso, ao final é apresentada uma implementação prática em um sistema de suspensão ativa, produzida pela Quanser®. / Abstract: The resolution of linear quadratic regulator (LQR) problem via linear matrix inequalities (LMIs) for linear time-invariant systems subject to polytopic uncertainties, as linear systems subjects to linear parameter varying (LPV), is proposed in this work. The controllers' designs are based on the state derivative feedback. The aim to the choice of the state derivative feedback is your easy implementation in a class of mechanical systems, such as in vibration control, for example. The signals used for feedback are acceleration and velocity, it is obtained by means of accelerometers. Through the proposed method it is possible to obtain LMIs conditions for the synthesis of controllers that guarantee the stabilisation of the closed-loop system, being that the controllers have optimised performance. For the LMIs conditions formulations, a Lyapunov function of type quadratic is used. As a form of validation, theoretical examples and simulations are performed, besides to show that the new results are less conservative. Furthermore, a practical implementation in an active suspension system, produced by Quanser®, is performed. / Mestre

The implications of gait disorder, muscle weakness, and spinal cord injuries for work and age-related mobility degradation have increased the need for rehabilitation exoskeletons. Specifically, the hip rehabilitation exoskeletons due to a high percentage of the mechanical power is generated by this join during the gait cycle. Additionally, the prolonged hospitalisation after hip replacement and acetabular surgeries that affect human mobility, the social-economic impacts and the quality of life. For these reasons, a hip rehabilitation exoskeleton was our focus in this research, as it will contribute being a sustainable solution to take over the burden of physiotherapy and let patients perform their rehabilitation at home or outdoors.  This thesis details an approach of creating a hip rehabilitation exoskeleton, starting with modelling, simulating, and controlling the rehabilitation hip joint in a based-simulation environment. The mathematical model and the reason for using a series elastic actuator in the hip joint to execute the movement in a sagittal plane are more detailed. Because trajectory tracking is commonly used for controlling rehabilitation exoskeletons to ensure safe and reliable motion tracking methods; therefore, two desired torque signals were tested and analysed with the optimal linear quadratic regulator (LQR). The experiments were performed using two torque signals of a healthy hip joint—representing the sit-to-stand (STS) and the walking activity for their importance in lower limb movements. However, the mathematical model used as a basis of the optimal control strategy is usually influenced by multiple sources of uncertainties. Therefore, four case studies of various optimal control strategies were tested for a twofold reason: to choose the most optimal control strategy, and to test the energy consumption of these cases during the STS and walking movements, because the long-term goal is to produce a lightweight and reliable rehabilitation hip exoskeleton. The research showed compelling evidence that tuning the control strategy will not influence the robustness of an optimal controller only, but affect the energy consumption during the STS and walking activity, which needs to be considered in exoskeleton control design regarding its applications. / Behovet av exoskelett för rehabilitering har ökat p.g.a. komplikationer som uppstår vid arbete och åldersrelaterad försämring. Komplikationerna består bland annat av gångstörning, muskelsvaghet och ryggmärgsskador. Speciellt höftexoskelett avsett för rehabilitering är extra intressant på grund av att rehabilitering inom detta område omfattar långvarig sjukhusvistelse efter höftprotes- och acetabulära operationer. Höftleden är en av de leder som utsätts för relativt höga mekaniska påfrestningar och minskad rörelseförmåga leder inte sällan till socioekonomiska effekter och minskad livskvalité. Av denna anledning kommer höftexoskelett för rehabilitering vara det primära området i denna avhandling då det kommer att vara en lösning för att minska belastningen inom sjukvård och låta patienter utföra sin rehabilitering hemma på egen hand. Denna avhandling beskriver en metod för att skapa ett höftexoskelett avsett för rehabilitering med början i modellering, simulering och kontroll av en höftled av exoskelett i en simuleringsmiljö. Genom att använda ett serieelastiskt manöverdon för att utföra en höftledsrörelse i ett sagittalt så uppnås en mer detaljerad matematisk modell. Genom att använda banspårning, som vanligtvis används för att kontrollera exoskelett för rehabilitering för att säkerställa säkra och pålitliga rörelsespårningsmetoder, så analyserades två vridmomentssignaler mot en linjär kvadratisk regulator (LQR). Simuleringarna utfördes med hjälp av två vridmomentsignaler som representerar sitt-till-stå (STS) och gångaktivitet hos en frisk höftled. Den matematiska modellen som används för att hitta den optimala kontrollstrategin påverkas vanligtvis av flera osäkerhetskällor. Därför testades fyra fallstudier av olika optimala kontrollstrategier för två skäl: den ena för att välja den mest optimala kontrollstrategin emellan och den andra för att mäta energiförbrukningen för dessa STS och gångrörelse så att vi kan producera ett lätt och pålitligt höftexoskelett avsett för rehabilitering. Forskningen visar övertygande bevis för att inställning av styrstrategin inte bara kommer att påverka robustheten hos en optimal styrenhet utan även påverkar energiförbrukningen under STS och gångaktivitet vilket måste beaktas vid design av exoskelett.