Sistemas de imageamento utilizando Radar de Abertura Sintética (SAR) podem ser utilizados com a finalidade de detectar alvos móveis na superfície terrestre, destacando-os do ambiente de fundo. A combinação coerente de pulsos provenientes de múltiplos canais de recepção permite a supressão desta interferência e técnicas de processamento de sinal apropriadas conduzem a uma caracterização adequada do posicionamento e velocidade dos alvos em movimento. O presente trabalho apresenta um estudo e implementação das metodologias Displaced Phase Center Antenna (DPCA) e Along-Track Interferometry (ATI) para detecção e estimação de velocidade radial de alvos pontuais em diferentes ambientes simulados. Com a finalidade de estimar a velocidade azimutal dos alvos de interesse foram utilizadas técnicas de multivisada durante o processamento. O comportamento de alvos móveis em imagens SAR é analisado e uma arquitetura de processador Range-Doppler modificada é implementada de forma a corrigir os efeitos que degradam a qualidade da imagem. Atinge-se uma melhor caracterização dos alvos e o método combinado das metodologias permite detectar alvos com baixa velocidade em ambientes de baixa razão sinal-clutter.

In dealing with rigid body three-dimensional rotational motion, one is inevitably led to face the fact that rotations are not vector quantities. They may, however, be treated as such when the angle of rotation is (very) small. In this context, i.e. the infinitesimal case analysis, the time derivatives of the rotation variables hold simple (sometimes vector-like) relationships to the components of the angular velocity vector. Conventionally, this distinctive characteristic cannot be associated with general moderate-to-large rotations.In this thesis, it is demonstrated that the kinematical differential relationship between the rotation vector and the angular velocity vector may, in fact, be expressed in terms of a mere time derivative, provided that the angle of rotation is kept within moderate bounds. The key to achieve such simplicity in the kinematical equation (linear attitude kinematics) within moderate angles of rotation is a judicious choice of the basis from which the time derivative is observed. This result is used to advantage within a generalised version of Euler's motion equations to construct a simple control law, which nominally realises both linear attitude tracking and linear angular velocity tracking (nominal linear attitude state tracking), within moderate attitude tracking errors. The analytical work presented here is unique in the sense that it combines attitude kinematics, dynamics and control in such a way that nominal linearity between the attitude state error variables is achieved within moderate attitude tracking errors. For the first time, an attitude control law explicitly enables the nominal closed-loop attitude state error dynamics to be chosen and motivated by useful physical concepts from linear control theory. The text also includes numerical simulations that validate and illustrate the theoretically achieved results.

Este trabalho apresenta a concepção, desenvolvimento e integração de um sistema de integração binocular para rastreamento binocular auxiliado por uma estratégia de atenção que permite selecionar regiões específicas da imagem para rastreamento. Múltiplas regiões são segmentadas sem o conhecimento do conteúdo da cena mediante detecção monocular de movimento no plano de imagem. Pontos detectados são agrupados em alvos cujo interesse para fins de rastreamento é avaliado por função de atenção. Observou-se que o emprego de imagens foveadas reduz consideravelmente a carga computacional requerida pelo processo de segmentação. Atributos de cada alvo são extraídos para emprego na função de atenção, que determina o valor de interesse dos alvos. A função de atenção proposta é a base da estratégia de atenção e resulta na seleção do alvo com maior valor de interesse. Os atributos empregados são a disparidade binocular, o número de pixels do alvo, sua densidade e velocidade no plano de imagem e a duração de sua ocorrência ao longo das imagens. Incertezas nos atributos são desconsideradas pela função de atenção. Os movimentos da cabeça de visão onde o sistema foi implementado consistem em movimentos balísticos, sacádicos e de perseguição suave nos eixos de elevação, e vergências assimétricas. A ativação destes movimentos é definida levando-se em conta características de desempenho do aparato visual antropomórfico. Avaliou-se o desempenho do sistema tanto no rastreamento de diversos alvos rígidos movendo-se em translação de forma controlada contra um fundo estático de textura não homogênea quanto no de uma pessoa deslocand-se e originando múltiplos alvos não rígidos que violam a restrição de translação pura. Os resultados para o primeiro caso demonstraram a manutenção dos alvos rígidos dentro do campo visual de ambas as câmeras. Já os resultados para o segundo caso demonstraram menor robustez a distorções nos padrões de cinza causadas pelo movimento de rotação e de mudança de escala, o que provoca chaveamento excessivo da atenção do sistema. Isto reflete as limitações do poder computacional empregado, uma vez que há grande dificuldade em limitar o movimento entre quadros da pessoa sendo rastreada.

Este trabalho apresenta uma nova metodologia de processamento para a detecção e estimação da velocidade de alvos móveis utilizando imagens multivisada geradas a partir de um radar de abertura sintética (SAR) com um único canal de recepção. A técnica multivisada consiste na geração de imagens a partir de diferentes setores da abertura angular da antena do SAR. Neste trabalho, esta técnica é aplicada na etapa da compressão em azimute do algoritmo range-Doppler, onde um banco de filtros passa-faixa realiza a divisão do espectro azimutal em três visadas simétricas com 50% de sobreposição. Após a operação de corregistro, as visadas são utilizadas pelo algoritmo CAI (Cancellation After Interferometry) para a detecção dos alvos móveis na cena. A estimação da velocidade do alvo em azimute é realizada com base na medição do deslocamento do alvo na imagem de saída do CAI, em particular utilizando duas visadas independentes. A estimação da velocidade do alvo em range é realizada indiretamente através da medição do desvio da frequência Doppler centroide do alvo. Este deslocamento espectral é observado no espectro azimutal dos dados brutos após a correção da migração de células em range. A metodologia proposta foi capaz de atenuar o clutter estacionário da cena em 20dB utilizando o método CAI. As velocidades em ground range da ordem de 6,7km/h a 94,1km/h foram estimadas com um erro máximo de 2,50%, mesmo em cenários com SCR=-20dB (Signal-to-Clutter Ratio). As velocidades em azimute da ordem de 1,8km/h a 93,6km/h foram estimadas com um erro máximo de 12,77%, mesmo em cenários com SCR=-32dB. As simulações foram realizadas em ambiente IDL e utilizaram dados brutos simulados com alvos pontuais e parâmetros reais, adotados de forma a atender aos requisitos do Projeto FINEP 01.10.0588.00 - AeroSAR.

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.

The interest for multirotor unmanned aerial vehicles (UAVs) is currently growing due to their low cost, high maneuverability, simplified mechanics, capability to perform vertical take-off and landing as well as hovering flight. These characteristics make them a promising technology suitable for applications such as surveillance of indoor and urban environments and object transportation. The present work faces the problem of safely controlling the position trajectory of multirotor UAVs by taking into consideration a conic constraint on the total thrust vector and a linear convex constraint on the position vector. The problem is solved using a linear state-space model predictive control (MPC) strategy, whose optimization is made handy by replacing the original conic constraint set on the thrust vector by an inscribed pyramidal space, which renders a linear set of inequalities. The control vector computed by the MPC is converted into a thrust magnitude command and an attitude command. The proposed method is evaluated on the basis of Monte Carlo simulations taking into account a random disturbance force. The simulations show the effectiveness of the method in tracking the commanded trajectory while respecting the imposed control and position constraints. They also predict the effect of both the commanded speed and the maximum inclination constraint on the system performance.

The aim of the present research is to investigate the problem known as Abandoned Object Detection (AOD) in surveillance videos, where stationary objects must be classified as either abandoned or removed. We found four categories of methods to solve the AOD problem, namely, region growing, edge detection, color comparison and image inpainting and investigated all of them. We found the major drawback of each category, from which we derived guidelines that oriented the development of three novel methods. Among these three methods, the proposed method (based on edge detection) measures the ratio of a blob boundary that is covered by edges in the reference image. This method achieved convincing results on 66 test scenarios compared to results of most recent works in the literature, equaling or surpassing these results. Furthermore, we proposed a frame window scheme to combine the information from several frames about a given object in order to provide a robust classification. The experiments show our method achieved and surpassed the state-of-the-art results.

A Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP, Brasil) e o Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia (IDPC, Brasil) estão desenvolvendo conjuntamente um Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV) baseado numa bomba de vazão mista e utilizando mancais magnéticos que objetivem substituir os mancais convencionais, pois o uso de mancal magnético neste dispositivo minimiza a hemólise e melhora o tempo de vida do DAV, isso em razão da ausência e contato de um mancal com a crase sanguínea o que, por fim, aumenta a vida útil do dispositivo. O mancal magnético utilizado para o DAV será o mancal do tipo híbrido. Este tipo de mancal combina ímãs permanentes com eletroímãs para realizar a levitação do rotor com controle apenas na direção axial do rotor. Na configuração original desse mancal magnético, um sensor indutivo detecta a posição axial do rotor. Esta posição é enviada a um controlador do tipo PID e processada, amplificada e enviada aos atuadores eletromagnéticos. A corrente enviada aos eletroímãs é controlada de maneira a manter o rotor sempre em uma posição axial fixa. No entanto, essa configuração exige o uso de um atuador eletromagnético contendo um furo para a instalação do sensor indutivo, impondo limitações no desempenho do atuador. Além disso, o sensor indutivo limita a miniaturização do mancal. Assim, para minimizar as limitações impostas pelo uso do sensor indutivo, este trabalho faz, primeiramente, um levantamento das diversas técnicas conhecidas para a medição da posição do rotor em mancais magnéticos. Como resultado, este trabalho identifica o uso do sensor Hall como a alternativa mais promissora. Este sensor responde à magnitude de um campo magnético que nele é aplicado. Fixando-se um ímã permanente ao rotor, obtém-se uma saída no sensor Hall proporcional ao deslocamento do rotor. Contudo, a leitura do sensor Hall é afetada ainda pelo campo magnético gerado pelos atuadores eletromagnéticos, o que é indesejável. Buscando minimizar essa influência, este trabalho apresenta algumas estratégias para eliminar, da saída do sensor Hall, a influência do campo gerado pelo atuador eletromagnético. Os métodos são testados através de experimentos de levitação em mancal magnético e a eficácia dos mesmos comprovada. / The Escola Politécnica of the University of São Paulo (EPUSP, Brazil) and the Institute Dante Pazzanese of Cardiology (IDPC, Brazil) are jointly developing a Ventricular Assist Device (VAD) based on a mixed flow pump with magnetic bearings. The VAD rotor has a conical shape with spiral impellers that impels and pressurizes the blood. The magnetic bearing eliminates mechanical contact between the pump rotor and the VAD body, minimizing hemolysis and improving the lifetime of the VAD. The magnetic bearing studied is the hybrid type that combines permanent magnets with electromagnets to execute active control in the axial direction of the rotor. In the original configuration, the bearing uses inductive sensor to detect the axial position of the rotor. The sensor readings are sent to a PID type controller, processed, amplified and sent to the electromagnets. The current supplied to the electromagnets are controlled in a manner to keep the rotor in a fixed axial position. However, this configuration requires the use of a hollowed core in the electromagnetic actuator, imposing limitations in its efficiency. Moreover, the use of an inductive sensor imposes limitations to pump downsizing. In order to minimize the limitations, this work conducts firstly a study about alternative techniques for measuring the rotor position in a magnetic bearing. As result, the Hall sensor is identified as the most promising alternative. The Hall sensor is a small semiconductor element available in the market that gives an electric signal with amplitude corresponding to the magnet field intensity applied to it. By fixing a permanent magnet to the rotor, the Hall sensor gives a signal according to the rotor displacement. However, the Hall sensor output is also affected by the magnetic field generated by the electromagnetic actuator of the bearing. This is not desirable for controlling the bearing. In order to minimize the mentioned influence, this work presents some methods to eliminate the influence of the actuator from the Hall sensor readings. The methods are tests in a magnetic bearing and the efficiency of these methods is demonstrated.

A estimação de posição é o resultado direto da reconstrução de cenas, um dos ramos da visão computacional. É também uma informação importante para o controle de sistemas mecatrônicos, e em especial para os sistemas robóticos autônomos. Como uma aplicação de engenharia, o desempenho de tal sistema deve ser avaliado em termos de eficiência e eficácia, medidas traduzidas respectivamente pelo custo de processamento e pela quantificação do erro. A geometria epipolar é um campo da visão computacional que fornece formalismo matemático e técnicas de reconstrução de cenas a partir de uma par de imagens, através de pontos correspondentes entre elas. Através deste formalismo é possível determinar a incerteza dos métodos de estimação de posição, que são relativamente simples e podem atingir boa precisão. Dentre os sistemas robóticos autônomos destacam-se os ROVs - do inglês \"Remotely Operated Vehicles\" - ou veículos operados remotamente, muito utilizados em tarefas submarinas, e cuja necessidade crescente de autonomia motiva o desenvolvimento de um sensor de visão com características de baixo consumo de energia, flexibilidade e inteligência. Este sensor pode consistir de uma câmera CCD e algoritmos de reconstrução de cena baseados em geometria epipolar entre imagens. Este estudo visa fornecer um comparativo de resultados práticos da estimação de posição através da geometria epipolar entre imagens, como parte da implementação de um sensor de visão para robôs autônomos. Os conceitos teóricos abordados são: geometria projetiva, modelo de câmera, geometria epipolar, matriz fundamental, reconstrução projetiva, re-construção métrica, algoritmos de determinação da matriz fundamental, algoritmos de reconstrução métrica, incerteza da matriz fundamental e complexidade computacional. Os resultados práticos baseiam-se em simulações através de imagens geradas por computador e em montagens experimentais feitas em laboratório que simulam situações práticas. O processo de estimação de posição foi realizado através da implementação em MATLAB® 6.5 dos algoritmos apresentados na parte teórica, e os resultados comparados e analisados quanto ao erro e complexidade de execução. Dentre as principais conclusões é apresentado a melhor escolha para a implementação de sensor de visão de propósito geral - o Algoritmo de 8 Pontos Correspondentes Normalizado. São apresentadas também as condições de utilização de cada método e os cuidados necessários na interpretação dos resultados. / Position estimation is the direct result of scene reconstruction, one of computer vision\'s fields. It is also an important information for the control of mechanical systems - specially the autonomous robotic systems. As an engineering application, those systems\' performance must be evaluated in terms of efficiency and effectiveness, measured by processing costs and error quantification. The epipolar geometry is a field of computer vision that supply mathematical formalism and scene reconstruction techniques that are based on the correspondences between two images. Through this formalism it is possible to stipulate the uncertainty of the position estimation methods that are relatively simple and can give good accuracy. Among the autonomous robotic systems, the ROVs - Remotely Operated Vehicles - are of special interest, mostly employed in submarine activities, and whose crescent autonomy demand motivates the development of a vision sensor of low power consumption, flexibility and intelligence. This sensor may be constructed with a CCD camera and the scene reconstruction algorithms based on epipolar geometry. This work aims to build a comparison of practical results of position estimation through epipolar geometry, as part of a vision sensor implementation for autonomous robots. The theory presented in this work comprises of: projective geometry, camera model, epipolar geometry, fundamental matrix, projective reconstruction, metric reconstruction, fundamental matrix algorithms, metric reconstruction algorithms, fundamental matrix uncertainty, and computational complexity. The practical results are based on computer generated simulations and experimental assemblies that emulate practical issues. The position estimation was carried out by MATLAB® 6.5 implementations of the algorithms analyzed in the theoretical part, and the results are compared and analyzed in respect of the error and the execution complexity. The main conclusions are that the best algorithm choice for the implementation of a general purpose vision sensor is the Normalized 8 Point Algorithm, and the usage conditions of each method, besides the special considerations that must be observed at the interpretation of the results.

É apresentado o projeto completo de uma garra antropomórfica de robô de três dedos, com nove graus de liberdade e acionamento por cabos de aço, no qual são aplicados técnicas de modelagem computacional, simulações, controle de posição e controle de força com intuito de fornecer características de confiabilidade e destreza na manipulação com objetos. Realizando análises dinâmicas experimentais na garra, os valores de rigidez e amortecimento nas articulações de seus dedos são obtidos de forma aproximada. O modelo dinâmico do sistema é desenvolvido utilizando técnicas de sistemas multicorpos através de um software de modelagem de sistemas mecânicos. Esta abordagem possibilita analisar o comportamento da garra através de simulações em diversas condições de trabalho. Para o desenvolvimento e testes dos controladores aplicou-se a técnica de co-simulação para se unir o ambiente de modelagem e simulação ao ambiente de controle. No controle de interação das pontas dos dedos da garra com um objeto, é apresentada e implementada uma ferramenta baseada na Teoria Helicoidal juntamente com um controle PID em uma aplicação onde a tarefa é suspender um objeto de uma bancada mantendo as forças internas constantes. / A complete design of an antrophomorfic gripper is presented. The gripper has three fingers, each of them with three degrees-of-freedom. The system uses transmission by cables in order to reduce the gripper\'s weight. Modelling techniques are applied to simulate and control the position and force of the fingers gripper in order to obtain dexterity and reliability features in objects manipulation. Specials features of the gripper are included in this model e.g. the stiffness and damping characteristics of the transmition cables were estimated using multi body systems methods along with experimental techniques. This approach makes possible to analyze the behavior of the gripper through simulations in several working conditions. The co-simulation techniques are applied to develop and test the controls by the connection between modeling and control environment. It is presented and implemented a tool based in the screw theory together with a PID control to control the gripper\'s finger interaction with an object.