Nesta tese é apresentado um Filtro de Partículas Aperfeiçoado para o rastreamento de postura de robôs móveis utilizando odometria e leituras ambientais laser. O método consiste em realizar um predição da postura do robô utilizando o modelo cinemático (odométrico) para, com a postura predita, eliminar o clutter utilizando-se de janelas de validação. Com a Range-Weighted Hough Transform associada a um método de mínimos quadrados, obtêm-se, então, os parâmetros do modelo de observações que,subsequentemente, serão utilizados para atualizar a postura predita. As observações são assimiladas pelo algoritmo de estimação de postura que utiliza um método de amostragem por importância com reamostragem (ISIR) ou filtro de Partículas. O filtro proposto utiliza uma função de importância localmente otimizada e reamostragem de mínima variância para combater a degeneração de partículas, e um passo de movimento MCMC para restaurar a diversidade amostral perdida depois da reamostragem. Os resultados experimentais foram obtidos utilizando-se dados simulados e reais. O desempenho do filtro foi comparado com o filtro Bootstrap e filtro Estendido de Kalman. Para os dados simulados, as curvas de erro quadrático médio foram comparadas ao Limite Inferior de Cramér-Rao Posterior (PCRLB). Para os dados reais um erro médio temporal, baseado em uma trajetória de referência, foi estimado. Adicionalmente, também foram medidos os respectivos tempos de processamento dos algoritmos com diferentes números de partículas. Os resultados mostram que o filtro proposto obteve melhores desempenhos que os filtros Bootstrap e Estendido de Kalman. Mais ainda, devido ao seu bom desempenho com número reduzido de partículas, o filtro de Partículas Aperfeiçoado apresentou um tempo de processamento que possibilita implementação prática em cenários realísticos.

Apresentamos neste trabalho uma comparação entre o método dos histogramas e o método tradicional de Monte Carlo. Os dois métodos foram aplicados aos modelos de Ising e l F4. Os resultados são comparados com a literatura existente e conclui-se que através do método dos histogramas consegue-se uma economia de tempo de simulação, o que é importante em simulações numéricas.

O problema de filtragem consiste em estimar o processo de difusão parcialmente observado, Xt, a partir do processo de observação, Yt, relacionado com o mesmo. No contexto de sistemas lineares com ruído Gaussiano, o filtro de Kalman e Bucy resolve o problema de filtragem. Para sistemas não lineares, de um modo em geral, as equações que descrevem a evolução da distribuição condicional de Xt, têm dimensão infinita. A partir das idéias de Clark, Davis, através de uma mudança da lei de probabilidade, simplificou a equação de ZakaY e obteve uma equação diferencial parcial para o problema de filtragem. A estimativa de mínimos quadrados obtida através dessa equação é robusta no sentido da continuidade da mesma em relação ao supremo da norma de Yt no espaço C[O, t]. O objetivo deste trabalho é estudar alguns métodos numéricos para resolver a equação robusta de filtragem. Os métodos de Diferenças Finitas, Galerkin e de Monte Carlo, em particular, são considerados com detalhes. A fim de permitir o uso desses métodos, aproximamos Xt por um processo absorvido na fronteira de uma região limitada R e determinamos a. fronteira dessa região. A avaliação do desempenho dos métodos numéricos é feita através de três exemplos: problema com sensor cúbico, problema com ruido multiplicativo e estimação de uma mensagem a partir de um sinal modulado em freqüência. Aspectos tais como capacidade de memória e tempo de execução são examinados nos exemplos apresentados.

O presente trabalho desenvolve o modelamento e a aplicação prática do Método Monte Carlo para simular a situação de um detector de nêutrons empregado na medida do fluxo de nêutrons gerados pela radiação cósmica na atmosfera. Entende--se por modelamento: a descrição geométrica e dos materiais de construção do detector, do meio onde está sendo empregado, a incidência e o espectro de radiação e a definição dos dados macroscópicos e modelos nucleares usados nos cálculos de probabilísticos dos processos de interação da radiação cósmica com os materiais. Tem--se por objetivo do presente trabalho a descrição da resposta do monitor de fluxo de nêutrons do tipo Long Counter aplicado na medida em solo de nêutrons da radiação cósmica, aplicando códigos de simulação MCNP e MCNPX, visando verificar tanto o modelamento quanto os códigos em uma aplicação cuja resposta é conhecida através de medidas experimentais. Os resultados do presente trabalho, portanto, contribuem significantemente com os esforços do grupo de pesquisa do IEAv/DCTA no desenvolvimento de plataformas experimentais e computacionais para avaliação dos efeitos da radiação cósmica no meio aeroespacial.

Structural members, such as, stiffeners are applied to aeronautical structures in order to promote the necessary global or local dynamic stiffness. The manufacture and assembly process of these parts and machines capability can introduce variability in the parts and thereby incorporating uncertainties in the structural performance. Tolerances known as GD&T (Geometrical dimensioning and Tolerance), must be specified for several dimensions during the engineering design, in order to enable the manufacture of the structure. In the same way, some material properties have variability, when different suppliers are involved. Thus, the uncertainties must be incorporated into the structural analysis in order to obtain a more reliable design. Therefore, the present thesis applies the SFEM to incorporate these uncertainties in a typical structural member and panel applied in the aeronautical industry. The approach used was Perturbation Technique using Taylor series expansions to incorporate the uncertainties in the structural members typically used in aircraft. Natural frequencies, frequency response functions and modal analysis are studied in order to understand the consequences of these uncertainties in a beam with hat and "Z" section normally applied as an aircraft panel stiffener. The stiffeners were modeled considering the Timoshenko Theory in Matlab software. Sensitivity analyses were applied for the correct interpretations and trends of the top contributors. Also an aircraft panel was performed using Nastran and Matlab software together to incorporate these uncertainties on the modal analysis. Final conclusions and issues of implementation and applicability are performed using MCS as a validation model for the stiffeners and the total range variation for the aircraft panel.

Atrasos de tempo decorrentes de transporte de massa, medidas, comunicação ou processamento computacional podem prejudicar o desempenho ou mesmo instabilizar uma malha de controle. Desse modo, é conveniente considerar o atraso no projeto do controlador. Porém o atraso na prática pode ser desconhecido ou sofrer alterações, seja por mudanças nas condições de operação ou falhas em componentes do sistema. Em tais situações, seria desejável adotar uma estratégia de controle que garanta estabilidade e atendimento a restrições operacionais mesmo na presença de incertezas sobre o atraso. Para esse propósito, emprega-se aqui uma técnica de controle preditivo robusto, que utiliza desigualdades matriciais lineares, para incorporar explicitamente incertezas de modelo na formulação do problema. Vale ressaltar que a lei de controle assim obtida pode ser demasiadamente conservadora em termos de desempenho e domínio de atração, se as incertezas forem caracterizadas de forma muito imprecisa. Por isso, pode ser de valia o uso de métodos de estimação que permitam reduzir a gama de possíveis atrasos a partir de um conjunto inicial de valores admissíveis. Neste contexto, as contribuições deste trabalho são as seguintes: (1) Desenvolvimento de um método para aproximação do domínio de atração do controlador por meio da envoltória convexa de pontos extremos; (2) Proposição de um estimador para determinação de valores de atraso consistentes com medidas ruidosas do estado da planta, a um dado nível de significância; (3) Utilização do estimador de atraso em conjunto com o controlador preditivo. Por meio de exemplos numéricos, observa-se que a redução na incerteza sobre o atraso é útil para ampliar o domínio de atração do controlador e melhorar o desempenho durante transitórios. Simulações de Monte Carlo são empregadas para ilustrar o funcionamento do estimador proposto. Por fim, apresentam-se resultados referentes ao uso do estimador em conjunto com o controlador preditivo. Para isso, considera-se um cenário de simulação no qual a referência para a malha de controle é periodicamente chaveada entre dois valores. A estimativa é atualizada a cada semi-ciclo de modo a levar em conta possíveis alterações no atraso. Os resultados mostram que a redução na incerteza resultante do uso do estimador propicia um melhor desempenho em malha fechada, em comparação com o uso de uma lei de controle que considera todos os possíveis valores de atraso.

Soluções que se utilizem de filtros de partículas como método de estimação de parâmetros de sistemas dinâmicos analisam, em geral, uma população de amostras com o mesmo tamanho em todas as etapas do algoritmo. Porém, a manutenção de um mesmo número de partículas, independentemente do nível de certeza que se possui acerca do Sistema, pode contribuir para o alto processamento exigido para a implementação de algumas técnicas que se utilizem de Métodos Sequencias de Monte Carlo. A presente dissertação visa propor uma metodologia para o ajuste da população de partículas analisadas por um filtro de partículas. Para tanto, utiliza-se o Limite Inferior de Cramér Rao como medida do nível de certeza das estimativas, ajustando assim o tamanho da população a ser analisada de acordo com uma heurística simples. Para a prova de conceito da metodologia apresentada é utilizado o problema SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), da robótica móvel. Trata-se da construção do mapa de um ambiente desconhecido concomitantemente com a localização do agente localizador na representação do ambiente criada. Mais especificamente, será utilizado o algoritmo mais recente da solução DP SLAM (Distributed Particle SLAM) - executada para a análise de um log de dados disponibilizado pela comunidade científica - para a elaboração de um algoritmo modificado que ajuste o número de partículas analisadas de acordo com o nível de certeza das estimativas realizadas. Pela natureza recursiva inerente ao problema considerado será utilizada uma metodologia também recursiva para o cálculo do Limite Inferior de Cramér Rao a posteriori, o qual fornece uma "medida" do máximo de informação que pode ser extraído de um sistema dinâmico quando os dados e os estados são considerados aleatórios, tendo em mente a análise de performance por uma perspectiva Bayesiana.

Multirotors Unmanned Aerial Vehicles (UAV), specially quadrotors, have been attracting large interest from the academy and the industry due to factors such as simplified mechanics, low cost, high maneuverability, vertical take-off and landing (VTOL) and wide variety of applications (fire fighting, surveillance, filming etc.). This work deals with the attitude control problem for a quadrotor UAV. In order to solve the problem, a backstepping attitude controller that guarantees the asymptotic stability of the system was designed using quaternion as attitude parametrization. The result was a control law similar to a P-D law with an additional nonlinear term in order to compensate the nonlinear term from the attitude dynamics. Simulations were made to validate the attitude control law achieved as well as experiments with an equipment similar to a quadrotor, but mounted on a three degree of freedom pivot joint that enables only the rotational motion, the Quanser 3D Hover. Additionally, the system was simulated with 6 degrees of freedom (3 translational and 3 rotational) and a P-D controller with constraints on the total thrust and on the inclination angle was used for the position control and to provide the desired attitude for the attitude controller. Propeller dynamics and perturbations acting on the quadrotor were modelled to obtain a more realistic result. Several Monte Carlo simulations were made to assess the mean effect of these random perturbations, and the results were effective for a way point trajectory.

Nesta tese realizamos um estudo de campo médio dos efeitos da desordem do campo cristalino sobre os diagramas de fases do modelo ANNNI com spin 1. Resultados de campo médio anteriores obtidos para o modelo com campo cristalino constante mostraram fases parcialmente desordenada em seus diagramas de fases. No entanto, a existência de tais fases não é garantida, devido às flutuações não levadas em conta na aproximação de campo médio. Sendo assim, estudamos o modelo com campo cristalino constante por meio de simulações de Monte Carlo. Nosso objetivo foi fornecer maior credibilidade aos resultados de campo médio obtidos anteriormente, e com isso adquirirmos maior confiança nos resultados de campo médio apresentados nesta tese para um campo cristalino aleatório. Os resultados das simulações mostraram evidências de que a configuração com planos desordenados da fase comensurável de período 6, observada em baixas temperaturas, pode sofrer uma transição interna para uma configuração na qual tais planos estão ausentes. Esse resultado está em concordância com os estudos de campo médio. Para o caso de um campo cristalino aleatório, investigamos os diagramas de fases do modelo na aproximação de campo médio. Para uma distribuição de probabilidades genérica do campo cristalino, obtivemos o funcional da energia livre e as equações de campo médio, assim como as expressões das linhas críticas e dos pontos tricríticos do modelo. Para investigarmos os efeitos da desordem sobre os diagramas de fases, consideramos as distribuições de probabilidade do campo cristalino delta-bimodal e gaussiana. / In this thesis we present a mean-field study of the effects of the disorder of the single-ion anisotropy on the phase diagrams of the spin-l ANNNI model. Previous mean-field results for the model with constant single-ion anisotropy showed partially disordered phases in the phase diagrams of the model. H owever , the existence of such phases cannot be taken as granted, due to the fiuctuations not taken into account in the mean-field approximation. Thus, we studied the model with constant single-ion anisotropy by means of Monte Carlo simulations. Qur aim was to give credit to previous mean-field results and to get more confidence in the mean-field results showed in this thesis obtained for a random single-ion anisotropy. The results obtained from the simulations showed evidences that the configuration of the commensurate phase with period 6 displaying disordered planes, found at low temperatures, may undergo an internaI phase transition to a phase in which such planes are absent. This result is in agreement with previous mean-field studies. For a random single-ion anisotropy, we investigated the phase diagrams of the model within mean-field approximation. For a generic probability distribution of the anisotropy, we obtained the free-energy functional and the mean-field equations, as well as the expressions for the criticallines and tricritical points of the model. In order to investigate disorder effects, we obtained phase diagrams of the model by considering a double-delta and a Gaussian probability distribution of the single-ion anisotropy.

O estudo da polarização eletrostática em líquidos homogêneos é crucial para compreender as propriedades termodinâmicas e de solvatação. Estes efeitos de polarização são também importantes para estudar a dinâmica molecular de reações químicas, conformações (tais como proteínas), e do meio solvente (solvatocromismo e RMN). Nesta dissertação, estudou-se a variação do momento de dipolo da fase gasosa para a fase líquida das moléculas: acetona, acetonitrila, amônia e água. Os momentos de dipolo em fase gasosa foram obtidos com cálculos quânticos ab initio para a molécula isolada. Para a fase líquida, cálculos equivalentes foram feitos sobre estruturas geradas de simulação computacional clássica (Monte Carlo). Tal procedimento foi feito segundo a metodologia \"Monte Carlo / Mecânica Quântica - Seqüencial\". Este método foi aplicado iterativamente, tornando possível estudar a variação do momento de dipolo e das propriedades termodinâmicas devido à mútua polarização das moléculas do solvente. Usando os resultados calculados, uma discussão foi realizada sobre a polarização eletrostática e o dipolo induzido em fase líquida. / The study of the electrostatic polarization in homogeneous liquids is crucial to the understanding of thermodynamic and solvation properties. These polarization effects are also important to study molecular dynamics of chemical reactions, conformations (such as proteins), and solvent environment (solvatocromism and NMR). In this dissertation, the variation of dipole moments from the gas phase to the liquid phase of acetone, acetonitrile, ammonia and water, were studied. The dipole moments in the gas phase were obtained with quantum mechanical ab initio calculation on the isolated molecule. For the liquid phase, equivalent quantum mechanical calculations were made on structures generated from classical computer simulations (Monte Carlo). Such procedure was made according to the methodology \"Sequential - Monte Carlo/Quantum Mechanics\". This method was applied iteratively, becoming possible to study the variation of the dipole moment and the thermodynamic properties due to the mutual polarization of the solvent molecules. Using the calculated results, a discussion was made of the electrostatic polarization and the induced dipole moment in the liquid phase.