Este trabalho apresenta um sistema para a geração, captura e processamento de imagens de escoamentos hidrodinâmicos ao redor de corpos rígidos, visando a determinação quantitativa e qualitativa de suas propriedades. Para a geração das imagens, construiu-se um túnel hidrodinâmico vertical de baixa turbulência, operado pela ação da gravidade, no interior do qual escoamentos ao redor de diferentes modelos podem ser obtidos. Para a visualização dos escoamentos, optou-se pelo emprego da técnica de injeção de corantes líquidos, através de longas agulhas hipodérmicas instaladas a montante do modelo ensaiado. As imagens assim geradas foram capturadas em película química fotossensível ou em fita magnética, conforme o tipo de ensaio realizado. Informações qualitativas sobre diferentes tipos de escoamentos externos foram obtidas mediante a análise de imagens estáticas, permitindo identificar a estrutura do escoamento em função do número de Reynolds. Medidas do comprimento da região de recirculação e das distâncias entre vórtices em uma esteira turbilhonária a jusante de um cilindro circular foram, também, realizadas, por meio da interpretação de imagens estáticas processadas digitalmente. Dados quantitativos dos escoamentos estudados foram obtidos por contagem de fotogramas, cuja identificação é obtida por meio de uma nova técnica de geração do código de tempo por superposição de imagens - denominada SITC (Superimposed Image Time Coding) - desenvolvida no âmbito deste trabalho. Mais especificamente, este método foi utilizado na análise do escoamento ao redor de quatro diferentes geometrias - perfil cilíndrico (Re<590), quadrado (Re<1200), elíptico de razão de raios de 0,6 (Re<4000) e retangular de razão de aspecto de 1/16 (Re<1500), para os quais foram determinados os número de Strouhal em função do número de Reynolds. Este método foi empregado, ainda, na obtenção da velocidade de propagação de vórtices na esteira de von Kármán produzida por um cilindro circular. Sempre que possível, os resultados obtidos foram confrontados com dados de outros autores - obtidos numericamente ou por diferentes métodos experimentais - revelando boa concordância. Esta constatação, além de assegurar a validade dos resultados apresentados no contexto deste trabalho, comprova o valor da visualização como ferramenta de análise qualitativa e quantitativa de escoamentos.

Para determinar as forças aerodinâmicas que agem sobre um satélite em altas camadas da atmosfera, é necessário recorrer ao escoamento molecular e a várias noções da Teoria Cinética dos Gases. É apresentado aqui um tema não abordado com frequência, o de superfícies concavas que resultam em multiplicidade de colisões. É estabelecida a função de distribuição, nestas condições, são calculados fluxos de moléculas e finalmente, são obtidas tensões (como fluxos de quantidade de movimento) para várias configurações representativas.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um procedimento de calibração para manipuladores industriais em ambiente virtual com o intuito de determinar os melhores valores de correção da cinemática direta para manipuladores industriais de até seis graus de liberdade. Para validação desta metodologia desenvolvida neste trabalho, o manipulador KUKA KR210 L100 2K foi escolhido como robô de estudo tanto para o sistema de simulação off-line quanto para a programação off-line. Para a determinação do valores de correção foi desenvolvido um algoritmo de calibração no ambiente Matlab que efetuar seis iterações contendo cada uma, um conjunto de doze valores de correção que estão divididos entre os ângulos &quot;alpha&quot; e &quot;theta&quot; dos parâmetros de Denavit-Hartenberg. Os dados de entrada para o algoritmo de calibração foram obtidos via Labview pelo controlador do KUKA KR210. Esses dados variam de acordo com a norma ISO 9283, que especifica que para aquisição de dados na calibração, é necessário variar a velocidade do robô em 10%, 50% e 100%, e onde cada trajeto de teste deve possuir trinta ciclos e um caminho contendo cinco pontos. Por último, para definir quais iterações são ideais para calibração, foi utilizado o método estatístico LSD de Fisher que tem a capacidade de mostrar quais variáveis cartesianas foram calibradas em relação a médias das posições nominais. Os resultados de calibração foram analisados pelo Diagrama de Pareto e pela Lei de Pareto 80/20 que identificaram as iterações mais adequadas que melhor expressam a equivalência mecânica e cinemática entre o robô real e o CAD do robô em ambiente off-line.

O objetivo deste trabalho é estudar a vibração em vigas de Timoshenko rotativas. Foram obtidas duas soluções, sendo uma analítica e outra utilizando o Método dos Elementos Finitos. As equações de movimento foram obtidas a partir das Equações de Lagrange. Foi considerado também o efeito giroscópico segundo Timoshenko Para obter a solução analítica, assim como as matrizes de massa, do efeito giroscópico e de rigidez, foi utilizado o software Mathematica. Um software escrito em Fortran permitiu a montagem das matrizes globais dos elementos e a simulação de resposta do eixo, variando dimensões, material, velocidade angular e desbalanceamento. Os resultados são apresentados, discutidos e comparados.

Este trabalho apresenta um procedimento automatizado para calibração de sistemas de visão robótica baseado no cálculo on-line da matriz de transformação homogênea entre o sistema coordenado do plano de imagem, na câmera, e a área de trabalho do robô. A principal contribuição deste trabalho, está no fato desta matriz de transformação estar expressa em função dos ângulos de junto do robô. Como conseqüência, o procedimento de calibração necessita apenas de dois pontos, que devem ser ensinados ao robô. Após a execução do procedimento de calibração, os pontos capturados pelo sistema de visão são então automaticamente convertidos para o sistema coordenado do robô, através de uma matriz de transformação homogênea. O procedimento de calibração foi intensivamente testado utilizando um sistema de visão comercial e um robô industrial tipo SCARA e apresentou bons resultados.

O presente trabalho estuda o problema da distribuição de temperaturas nos elementos de um canhão de elétrons de 5 A e 50 kV (primeiro e segundo anodos, catodo, flanges e isoladores externos de cerâmica) tendo como condição de contorno a temperatura do filamento aquecedor que se encontra a 2300 graus centigrados no interior do catodo cônico e que mantém a temperatura da faixa emissora de elétrons em 1000 graus centígrados. As medidas experimentais, efetuadas a partir de um conjunto de termopares instalados em vários pontos do canhão, são comparadas com resultados obtidos via simulação numérica usando um programa computacional de elementos finitos. A otimização mecânica nas peças do canhão e o desenvolvimento de dispositivos como o sistema de aquecimento da faixa emissora de elétrons por filamento, métodos para determinação da temperatura de um filamento de tungstênio e a construção de uma sonda térmica para medidas de velocidade e cálculo do coeficiente de convecção do ar em regiões turbulentas próximas da parede externa do canhão também integram este trabalho. A presente tese reveste-se de caráter inédito, pois constitui um estudo detalhado das características térmicas de um canhão injetor de elétrons do tipo magnetrônico em que os resultados experimentais e simulados apresentam excelente concordância.

O presente trabalho tem por finalidade a análise do escoamento em uma contração tipo "boca de sino" dimensionada segundo critérios de projeto de túneis aerodinâmicos e instalada na entrada de um duto de seção retangular com razão de aspecto igual a oito. No aparato experimental, a vazão foi medida através da varredura de um tubo de Pitot e de um anemômetro de fio quente localizados em uma posição à jusante da contração e também com um rotâmetro. na contração foi medido o diferencial de pressão entre a entrada e a saída. Os resultados experimentais foram obtidos na faixa de números de Reynolds desde 15.000 atée 67.000. Observou-se uma boa concordância entre as vazões medidas através da contração e pela varredura do tubo de Pitot para números de Reynolds acima de 30.000. Com o intuito de analisar o escoamento através da contração nesta faixa de número de Reynolds, foram obtidos resultados numéricos utilizando-se uma técnica numérica de elementos finitos (ANSYS-FLOTRAN) utilizando uma malha de 14.796 nós (14.350 elementos) em um domínio considerando a simetria do escoamento. Para calcular a viscosidade turbulenta foi utilizado o modelo k-e padrão. Comparando-se os resultados para a vazão, verificou-se uma boa concordância entre os valores experimentais obtidos através da contração e numéricos em toda a faixa de números de Reynolds analisados neste trabalho. Para números de Reynolds acima de 30.000 obteve-se também uma boa concordância entre os resultados numéricos e os obtidos pela varredura do tubo de Pitot.

Este trabalho trata da modelagem, identificação e controle de estruturas flexíveis. A fim de estudar estes assuntos, a modelagem simbólica de manipuladores robóticos com elos flexíveis foi desenvolvida e dois experimentos foram montados e usados para o estudo do comportamento dinâmico deste tipo de estrutura. Os resultados experimentais obtidos foram comparados com os analíticos para a identificação dos modos de vibrar da estrutura. O primeiro experimento consistiu de um manipulador robótico flexível composto por uma viga de alumínio ligada a um cubo acionado por um motor DC. A dinâmica da viga foi caracterizada utilizando-se quatro tipos distintos de sensores: um acelerômetro piezoelétrico, um extensômetro, um tacômetro e um potenciômetro que fornece a posição angular da viga. O manipulador foi modelado com a aplicação do princípio estendido de Hamilton ao Lagrangiano do sistema. Devido a complexidade das equações obtidas, o sistema foi discretizado usando o Método dos Modos Assumidos e levando-se em consideração os três primeiros modos de vibrar da viga. Dois tipos de abordagens foram consideradas na discretização das equações: o modo vinculado e o modo desvinculado. Resultados experimentais, mostraram que o modelo analítico utilizando o modo desvinculado forneceu uma melhor aproximação do modelo experimental. O segundo experimento consistiu de uma estrutura multicorpos com apêndices flexíveis ligados a um cubo e também excitada por um motor DC sem escovas. A modelagem adotada também foi a formulação de Lagrange. Dois compressores (proporcional e proporcional/integral/derivativo) foram implementados em tempo real para fazer o controle da posição angular da estrutura. A técnica de controle LQG/LTR que é adequada a este tipo de sistema devido as incertezas provenientes da discretização do modelo, também foi estudada e resultados simulacionais são apresentados.

Neste trabalho são discutidos os problemas de navegação e guiagem de robôs móveis autônomos. Os métodos de navegação mais usados requerem, basicamente, dois tipos de sensores que são utilizados conjuntamente: sensores absolutos e relativos. A diferença básica entre eles reside no fato de que os sensores relativos têm erros acumulativos, o que não ocorre com sensores absolutos. O sistema de navegação, que é investigado primeiro, é composto por dois subsistemas independentes integrados via um filtro de Kalman: o primeiro é uma central solidária de baixo custo com três girômetros e um acelerômetro triaxial, e o segundo é um receptor de GPS corrigido diferencialmente. Modelos de erro dos sensores inerciais de estado sólido são descritos e incluídos em um outro filtro de Kalman para estimar a posição e a orientação do veículo. Na seqüência, um segundo sistema de navegação, mais simples, é proposto e implementado utilizando o dead-reckoning, baseado na leitura dos pulsos de encoders alocados nas rodas do veículo (odômetro), e uma bússola digital. Estes sensores estão montados no protótipo de robô móvel disponível para testes no Departamento de Controle e Conversão de Energia do ITA. Com base neste segundo sistema de navegação, um controlador de guiagem tipo fuzzy é proposto e implementado, para guiar o veículo segundo uma trajetória composta por pontos com posição e orientação desejadas para o veículo. Este controlador é de sintonização simples e prescinde do conhecimento do modelo dinâmico do veículo. O sistema completo é implementado em tempo real e o bom desempenho é exibido em situações de interesse.

Esse trabalho apresenta um procedimento para determinar trajetórias otimizadas que maximizem a massa do satálite de um Veículo Lançador de Satélites (VLS) sujeito a restriçoes dinâmicas e geométricas. Isso foi conseguido através de abordagem subótima utilizando-se programação linear para implementar um procedimento de busca direta baseado em um método de parametrização da função de controle; e determinando sua solução numérica por perturbação linear. São apresentados resultados de testes a partir de simulação digital, fazendo uso de dados disponíveis de uma versão de um VLS da Missão Espacial Completa Brasileira (MECB). Comparações preliminares, com os dados disponíveis, sugerem que o procedimento é uma boa opção para esse problema de otimização.