O sistema de controle é um componente essencial no ciclo de desenvolvimento de sistemas de automação industrial, sendo a verificação do programa uma etapa essencial. A detecção de erros ainda na fase de projeto é muito importante, pois o custo de correção na fase final de desenvolvimento ou após a implementação do sistema é significativamente mais elevado do que nas fases iniciais do projeto. As células de Manufatura atuais são constituídas de dispositivos mecatrônicos de toda ordem como robôs e sistemas de movimentação controlados por um sistema de controle, usualmente controladores lógicos programáveis (CLP). A maioria das empresas depende de mais de um fornecedor para desenvolvimento de seus projetos e a concepção de uma célula de produção. A falta de todos os componentes restringe os testes do sistema de controle para a etapa final do projeto. Os testes para verificação e a validação de uma célula é o comissionamento, é nessa fase onde é feito os últimos ajustes do programa de controle da sequência. Uma alternativa para a validação do sistema de controle é o comissionamento virtual, onde é possível desenvolver e testar o programa responsável pelo controle de linhas na fase do planejamento, e assim diminuir o tempo de execução do projeto. O comissionamento virtual exige a integração de diferentes tecnologias, a exemplo da programação de CLP (Controlador Lógico Programável), comunicação de dispositivos com o protocolo OPC (OLE for Process Control), a simulação de uma linha de produção, além do projeto de dispositivos e ferramentas que podem ser elaborados por meio de aplicativos CAD (Computer Aided Design). O comissionamento virtual pode avaliar o funcionamento completo de uma linha de montagem, tanto simulando processos em ambiente digital, quanto testando equipamentos e ferramentas reais, integrados num sistema que compartilha os sinais dos sensores e atuadores com a simulação no computador de forma a apresentar os requisitos das tecnologias envolvidas. Nesse cenário este trabalho apresenta uma proposta de um método para aplicação de comissionamento virtual em linhas de produção automatizadas, ou seja, um passo a passo de simulação utilizando o comissionamento virtual (CV) para a antecipação das etapas dos testes do programa supervisório, com aplicação simultânea entre o sistema de controle e os componentes dos modelos computacionais. Para isto, inicialmente, será apresentada uma revisão da literatura sobre temas relativos à comissionamento virtual, na sequência a proposição do método e sua aplicação. E, finalmente, as conclusões sobre o trabalho.

Esta tese propõe um novo paradigma para a construção de estruturas tridimensionais onde robôs aéreos do tipo quadrirrotores são usados para capturar, transportar e montar diferentes elementos estruturais em um ambiente dinâmico e não estruturado. Tarefas complexas de construção que utilizam robôs móveis são caracterizadas por três problemas fundamentais: 1) O planejamento da construção das estruturas; 2) A geração das trajetórias dos robôs; e 3) O controle de rastreamento das trajetórias durante a execução. Uma arquitetura de planejamento é proposta para resolver simultaneamente os dois primeiros problemas. Essa arquitetura: 1) Gera de forma iterativa planos exequíveis de montagem das estruturas e de movimentação dos robôs usando a técnica de aprendizado por reforço Learning Automata e o algoritmo de busca heurística A*; 2) Considera as limitações de potência dos quadrirrotores disponíveis, as restrições de construção das estruturas e a natureza dinâmica do ambiente; e 3) Utiliza um método de resolução de conflitos para planejar as velocidades de translação e selecionar os pontos de parada de cada quadrirrotor. Para solucionar o terceiro problema, a técnica de aprendizado por reforço Learning Automata é usada com a finalidade de projetar e otimizar os controladores de atitude e de rastreamento de trajetórias dos quadrirrotores. Em razão da dinâmica não linear dos robôs aéreos, das perturbações externas (p. ex., o vento e o efeito do solo), e da variação de carga durante o processo de construção, a solução desse problema não é trivial. Testes simulados e experimentais do sistema autônomo de construção de diferentes estruturas tridimensionais (cubo, torre, pirâmide e parede), com até quatro quadrirrotores, são apresentados para demonstrar a generalidade da solução proposta.

As the field of autonomous robotics grows and its applications broaden up, an enormous amount of sensors and actuators, sometimes redundant, have been added to mobile robots. These now fully equipped entities are expected to perceive and act in their surrounding world in a human-like fashion, through perception, reasoning, planning and decision making processes. The higher complexity level of the resulting system and the nature of the environments where autonomous robots are usually expected to operate - continuous, partially unknown and usually unpredictable - demand the application of techniques to deal with this overload of data. In humans, that face the same problem when sounds, images and smells are presented to their sensors in a daily scene, a natural filter is applied: Attention. Although there are many computational models that apply attentive systems to Robotics, they usually are restricted to two classes of systems: a) those that have complex biologically-based attentional visual systems and b) those that have simpler attentional mechanisms with a larger variety of sensors. In order to evaluate an attentional system that operates with other robotics sensors than visual ones, this work presents a biologically inspired computational attentional model that can handle both top-down and bottom-up attention and that is able to learn how to re-distribute its limited resources over time and space. Experiments performed on a high fidelity simulator demonstrates the feasibility of the proposed attentional model and its capability on performing decision making and learning processes over attentional modulated data. The proposed system promotes a significant reduction on the original state space (96%) that was created over multiple sensory systems.

Este trabalho propõe e implementa uma solução para o problema de mapeamento 2D de ambientes internos usando um robô móvel (projetado e construído especificamente para essa pesquisa) equipado com o sensor Kinect da Microsoft. Esse sensor é classificado como uma câmera RGB-D ou câmera de profundidade, pois gera uma nuvem densa de pontos com informação de posição 3D associada a cada ponto. Para tal, um conjunto de pontos de luz infravermelha é projetado no ambiente usando um padrão pseudoaleatório pré-determinado e uma câmera infravermelha interna no Kinect detecta e calcula a localização dos pontos de luz que estão no seu campo de visão. Inicialmente a nuvem de pontos gerada pelo Kinect é processada pelo algoritmo RANSAC (RANdom SAmple Consensus) para extração das características (localização) dos objetos do ambiente no sistema de coordenadas com origem no robô móvel (mapa local). As imagens de duas câmeras RGB do tipo webcam sem fio no teto do laboratório são usadas para determinar a pose do robô (localização e orientação) no mapa global. Com essa informação, as coordenadas dos objetos detectados são transformadas do mapa local para o mapa global. O robô deve então ser reposicionado no ambiente para que uma nova nuvem de pontos seja gerada e capturada pelo Kinect embarcado. Neste trabalho, uma lente do tipo zoom foi usada para reduzir o alcance mínimo do Kinect de 80 cm (valor padrão) para aproximadamente 30 cm. Visando reduzir os erros de localização, são propostos e implementados modelos de calibração para a câmera IR do Kinect e para o algoritmo de localização do robô a partir das imagens das câmeras do teto. Os resultados de testes experimentais no laboratório em um ambiente real com tamanho 1,60 m x 2,70 m comprovam que a solução proposta é satisfatória.

O emprego de veículos autônomos é uma prática comumente adotada para a melhoria da produtividade no setor agrícola. No entanto, o custo computacional é um fator limitante na implementação desses dispositivos autônomos. A alternativa apresentada neste trabalho consistiu no desenvolvimento de um dispositivo de hardware dedicado para a navegação de robôs móveis agrícolas, o qual indica áreas navegáveis e não navegáveis, além do ângulo de inclinação do veículo em relação à linha de plantio. O desenvolvimento do projeto foi baseado em um método de extração de características visuais locais por meio do processamento de imagens coloridas obtidas por uma câmera de vídeo. O circuito foi implementado por meio de uma ferramenta de desenvolvimento baseado em um FPGA de baixo custo. O circuito consiste nas etapas de classificação, processamento morfológico e extração das linhas de navegação. Na primeira etapa, os pixels são classificados a partir do modelo de cores HSL em classes que representam as áreas passíveis e não passíveis de navegação. Posteriormente, a etapa de processamento morfológico realiza as tarefas de filtragem, agrupamento e extração de bordas. O processamento morfológico é realizado por meio de um arranjo de unidades de processamento dedicadas. Cada unidade pode realizar uma operação básica de morfologia matemática. O elemento estruturante utilizado na operação, bem como a operação realizada pela unidade, é configurado por meio de parâmetros do projeto. O processo de extração das linhas de orientação é realizado por meio do método de regressão linear por mínimos quadrados. A arquitetura proposta no projeto permitiu o processamento em tempo real de imagens para a aplicação de navegação autônoma de robôs móveis em ambientes agrícolas. / The use of autonomous vehicles is a generally adopted practice to improve the productivity in the agriculture sector. However, the computer requirements are a limiting factor for implementation of these autonomous devices. The alternative shown in this paper is the design of a dedicated hardware for the autonomous agricultural robot navigation. The project development was based on a local visual feature extraction method by processing digital images obtained from a color video camera. The circuit was implemented through a development tool based on a low cost FPGA. The circuit consists of stages of classification, morphological processing and guidance line extraction. In the first stage, the pixels are classified through HSL color model into classes that represent suitable and unsuitable area for navigation. Then, the morphological processing stage performs filtering, grouping and edge detection tasks. The morphological processing is carried out by an arrangement of dedicated processing units. Each unit can perform a basic operation of mathematical morphology. The structuring element used in the operation and the operation performed by the unit are configured through project parameters. The guidance line extraction process is performed through the linear regression method by least square. The architecture proposed in the design allowed the real-time image processing in autonomous robot navigation applications in agricultural environments.

O emprego de técnicas de controle para veículos submarinos, envolve muitas questões de interesse prático e teórico. Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de um sistema de controle inteligente e adaptativo a ser aplicado na navegação de veículos submarinos semi-autônomos (VSSAs). Utiliza-se uma técnica baseada no controle nebuloso (fuzzy), visando gerenciar o veículo submarino no controle de velocidade, profundidade, orientação e na evasão de obstáculos. A operação de veículos submarinos usando a técnica proposta, exige a definição, análise e tratamento de um vasto conjunto de comandos complexos manipulados pelo controlador. A metodologia utilizada divide a ação de controle em 3 fases. A primeira trata do posicionamento inicial do veículo submarino, a segunda fase trata da sua navegação e a fase final de gerenciar o comportamento do veículo próximo da posição-objetivo. A implementação funcional do controlador e dividida em módulos. O primeiro módulo informa o comportamento do ambiente e do próprio veículo, fornecendo dados iniciais sobre seu posicionamento e sua profundidade; um segundo módulo trata da presença de obstáculos em diferentes direções com dados fornecidos por sonares e assim determina as ações para a evasão de obstáculos. A ação de controle e estabelecida usando conceitos da teoria nebulosa (fuzzy) no universo de discurso, através de variáveis lingüísticas e de regras de inferência definidas a partir do conhecimento de especialistas, que envolvem a imprecisão característica do comportamento humano. As informações no final do processo são concentradas, de forma que a ação de controle e determinada para que possa enviar sinais de controle aos atuadores. / The design of underwater vehicle involves a very large number of practical and theoretical problems. In this work, it is tackled the development of a intelligent and adaptive controller, to be used in the navigation of semi-autonomous underwater vehicles (SAUV). To achieve this goal, a technique based on the fuzzy theory was employed to control the vehicle movements, including the evasion of obstacles. The operation of underwater vehicles using this approach demands the definition and treatment of a vast set of complex commands, manipulated by the controller. The control action is subdivided into three stages, the first one deals the control action during the initial positioning of the vehicle, a second stage deals with the navigation itself and the final stage deals the control action when the vehicle is close to the objective-position. The functional development of the controller was also subdivided into modules. The first module deals with the management of input data such as environmental disturbances and initial vehicle position, such as depth of the vehicle. The second module deals the detection of obstacles in different directions and the optimal evasion action to avoid collisions. The control action during a mission is established using concepts of the Fuzzy theory in the universe of speech, through linguistic variables and rules of inference defined from the knowledge of specialists, involving the characteristic imprecision of human behavior. In the end of the process, the information is defuzzificated, so that control actions are determined, allowing a practical implementation.

Para ter uma aplicação real, um robô móvel deve poder desempenhar sua tarefa em ambientes desconhecidos. Uma arquitetura para robôs móveis que se adapte ao meio em que o robô se encontra é então desejável. Este trabalho apresenta uma arquitetura adaptativa para robôs móveis, de nome AAREACT, que aprende como coordenar comportamentos primitivos codificados por Campos Potenciais através de aprendizado por reforço. Cada comportamento utiliza a informação de apenas um tipo de sensor (visão, sonar ou odometria). O sensor de visão foi desenvolvido neste trabalho, e utiliza os tempos para colisão obtidos através da análise de seqüências de imagens para indicar a disposição dos objetos à frente do robô. A atuação da arquitetura proposta é comparada com a apresentada por uma arquitetura com coordenação fixa dos comportamentos, demonstrando melhor desempenho. Os resultados obtidos neste trabalho também apontam a alta capacidade de adaptação da arquitetura AAREACT. / It is desirable that mobile robots applied to real world applications perform their operations in previously unknown environments. Thus, a mobile robot architecture capable of adaptation is very suitable. This work presents an adaptive architecture for mobile robots called AAREACT, that has the ability of learning how to coordinate primitive behaviors codified by the Potential Fields method through reinforcement learning. Each behavior uses the information of a single sensor (vision, sonar or odometer). This work also brings details about the vision sensor\'s development, which uses time-to-crash information in order to detect distances to frontal obstacles. The proposed architecture\'s actuation is compared to that showed by an architecture that performs a fixed coordination of its behaviors, and shows a better performance. The obtained results also suggest that AAREACT has good adaptation skills.

Este trabalho aborda o projeto de hélices navais auxiliado por computador, particularizando-os para a aplicação no sistema de propulsão de veículos autônomos de superfície (ASVs). São apresentadas as principais aplicações e características do casco demais sistemas que compõem os ASVs. Em seguida, trata-se da análise dos parâmetros principais que definem a geometria de um hélice naval. É proposta uma ferramenta numérica voltada à geração da superfície do hélice e do seu modelo sólido, a partir dos perfis transversais da pá, cuja distribuição radial é originada em dados de tabelas de séries sistemáticas. O trabalho é complementado por uma apresentação e análise dos métodos principais considerados para a manufatura auxiliada por computador de hélices que podem ser empregados tanto em ASVs como em outros veículos aquáticos não tripulados. / This work deals with the computer aided design of marine propellers applied to the propulsion system of autonomous surface crafts (ASVs). The main applications and component systems of ASVs are introduced. An analysis of the propeller main geometric parameters is performed, and a numerical tool is proposed for the surface and solid model generation using data provided by the propeller systematic series for the sectional profile radial description. Finally, it is presented the introduction and analysis of the computer aided manufacturing processes considered for the propulsion of ASVs and other unmanned aquatic vehicles.

Esta tese propõe um modelo probabilístico geral para a localização cooperativa de multirrobôs. O problema da localização multirrobôs pode ser definido como: dado um modelo do ambiente, estimar a localização de cada robô em um grupo atuando em um mesmo ambiente, com base nas informações sensoriais oferecidas pelas medidas de odometria, medidas do ambiente e detecções. Detecção é a habilidade de um robô identificar outro e determinar a distância relativa entre eles. A idéia principal da localização cooperativa de multirrobôs consiste em integrar medidas coletadas por diferentes robôs, de modo que todos possam se beneficiar dos dados adquiridos pelos outros robôs do grupo. Desta forma, detecções podem ser usadas para refinar a estimativa de postura de cada robô com base nas estimativas dos outros. Comunicação fornece aos robôs a habilidade de compartilhar suas crenças de postura de forma que possam cooperar para melhorar a acurácia da localização. Aqui é explorado o uso de diferentes tipos de informação para comunicar entre os robôs: propagação da detecção positiva, detecção negativa e multidetecção, os quais são integrados em um novo algoritmo, chamado Localização de Markov para Multirrobôs Cooperativos (LMMC). Também é proposto um protocolo de comunicação para a troca de dados entre os robôs e um conjunto de critérios que possibilitam a redução da comunicação por meio da diminuição da quantidade de dados trocados entre robôs, de um modo eficaz e eficiente. Os experimentos realizados em ambientes simulados demonstram que a abordagem proposta pode conduzir a resultados significativamente melhores de localização quando comparada à abordagem com detecção única e ainda com uma menor quantidade de mensagens trocadas entre os robôs. / In this thesis we propose a general probabilistic model to cooperative multirobot localization. The multirobot localization problem can be stated as follows: given a model of the environment, estimate the location of each robot in a group within the same environment based on sensors information that provides odometric measurements, environment measurements, and detections. Detection is the ability of one robot to identify others and to determine the relative location of other robots relative to its own. The key idea behind the multirobot localization approach is to integrate measurements taken by different robots, so that each one can benefit from data gathered by other robots in a group. In this sense, detections can be used to refine the pose estimates of a robot based on the other\'s estimate. Communication provides robots with the ability to exchange their pose beliefs, so that they can cooperate in order to improve their localization accuracy. We explore the use of different types of information to exchange among robots: propagation of positive detection, negative detection, and multidetection, which are integrated in a new algorithm, called Cooperative Multirobot Markov Localization, CMML. We also contribute a communication protocol that deals with the data transmitted among robots, and a set of communication rules that aims at reducing the amount of data exchanged among robots in an effective and efficient way. Experimental results, carried out in simulated environments, demonstrate that our approach can yield better localization results than a single-detection approach, at significantly smaller communication overhead.

Observando-se as diversas aplicações de robôs na área de serviços é possível perceber uma crescente busca por manipulação de ferramentas em lugares elevados utilizando dispositivos robóticos, visto que tais tarefas exigem a utilização de diversos equipamentos de segurança e apresentam um alto risco à presença humana. Os exemplos mais comuns desse tipo de tarefa são: inspeção de: máquinas de grande porte, tanques de armazenamento, silos, postes, linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica, etc. Com o intuito de aplicar robôs a essas tarefas, e consequentemente aumentar a segurança e eficiência dessas operações, foi realizado, primeiramente neste trabalho, um estudo sobre as classes de robôs manipuladores existentes. Para tanto adotou-se uma classificação que separa os robôs de acordo com o número de juntas, o que gera uma divisão em três diferentes grupos, robôs discretos, robôs do tipo serpente e robôs contínuos. Ao analisar as três classes, observa-se que os robôs contínuos possuem mais graus de liberdade que os outros grupos, apresentando como estrutura uma coluna vertebral continuamente deformável, que em oposição aos tradicionais manipuladores robóticos elo/junta/elo, possuem mecanismos mais simplificados, controle menos complexo devido ao menor número de atuadores e podem interagir com obstáculos encontrados em seu ambiente sem criar grandes forças de contato. Ao utilizar configurações extrínsecas, ou seja, posicionando os atuadores fora da estrutura do robô, e transmitindo o movimento utilizando cabos, é possível construir robôs com alta isolação elétrica, o que é de grande utilidade para operações que envolvem tarefas nas proximidades de redes elétricas de alta tensão. Apesar das diversas vantagens, não foram encontradas na literatura aplicações de robôs contínuos na realização de tarefas em alturas elevadas. Levando em consideração as vantagens oferecidas pelos robôs contínuos, este trabalho propõe o estudo e a aplicação de um robô do tipo contínuo que possua uma arquitetura mais adequada para realizar trabalhos a alturas elevadas. Com o intuito de demonstrar as vantagens oferecidas por essa arquitetura, será realizado um estudo de caso no qual o objeto a ser inspecionado são as cruzetas de madeira em postes de distribuição de energia elétrica. Em uma segunda etapa, elabora-se o projeto mecânico do robô contínuo proposto, onde são detalhados os mecanismos propostos e são feitas simulações utilizando o método dos elementos finitos para analisar o comportamento da estrutura quando submetida a carregamentos. Em uma terceira etapa, adotando-se uma estratégia de controle seqüencial é elaborado o projeto de controle. Em uma ultima etapa, com o intuito de analisar o funcionamento do robô é construído um protótipo, com o qual são feitos os testes. / Among several applications of robots in the service field, it is possible to percept an increasing interest in manipulate tools in higher positions using automatic devices, due to the fact that such activities are high risked operations and demands the use of several safety equipments. The most common examples of this kind of activity are the inspection of machines, silos, electrical distribution poles, etc. With the aim of apply robots to these activities and increase the safety and efficiency in these operations, as a first step in this work is done the study of different kinds of manipulators. Adopting a classification based on the number of joints, it is possible to separate robots in three different classes: discrete robots, snake-like robots and continuum robots. By analyzing these classes, it is possible to say that continuum robots have more degrees of freedom than the robots of others groups; Compared with the classic discrete robots, continuum robots have simplified mechanisms, simpler control scheme due to the small number of actuators and, in the case of an obstacle, they can contour the obstacle without generating high contact forces. By positioning the actuators out of the robot structure and transferring the motion using cables, i.e., adopting an extrinsic actuation, it is possible to build continuum robots with high electric insulation that is important in applications in which the robot must work near of an electrical distribution network. Despite these advantages, no previous works concerning the use of continuum robots to work in higher positions were found in the literature. Considering the advantages offered by continuum robots, this work proposes a study and application of a continuum robot that uses a more suitable architecture to work in higher positions. Aiming to demonstrate the advantages provided by this architecture, It will be used a case study, in which, the object to be inspected is the wood cross-arms of an electrical poles used in the electrical distribution networks. In a second step, it is done the mechanical project of the robot, where the proposed mechanisms are explained and structural simulations using the finite element method are performed in order to analyze how the structure would react to loads. In a third step, by adopting a strategy of sequential control, it is done the control project. In the last step, with the aim of analyze the robot in practical situation, a prototype is built, which is used to perform the tests.