A robótica móvel autônoma é uma área relativamente recente que tem como objetivo a construção de mecanismos capazes de executar tarefas sem a necessidade de um controlador humano. De uma forma geral, a robótica móvel defronta com três problemas fundamentais: mapeamento de ambientes, localização e navegação do robô. Sem esses elementos, o robô dificilmente poderia se deslocar autonomamente de um lugar para outro. Um dos problemas existentes nessa área é a atuação de robôs móveis em ambientes externos como parques e regiões urbanas, onde a complexidade do cenário é muito maior em comparação aos ambientes internos como escritórios e casas. Para exemplificar, nos ambientes externos os sensores estão sujeitos às condições climáticas (iluminação do sol, chuva e neve). Além disso, os algoritmos de navegação dos robôs nestes ambientes devem tratar uma quantidade bem maior de obstáculos (pessoas, animais e vegetações). Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um sistema de classificação da navegabilidade de terrenos irregulares, como por exemplo, ruas e calçadas. O mapeamento do cenário é realizado através de uma plataforma robótica equipada com um sensor laser direcionado para o solo. Foram desenvolvidos dois algoritmos para o mapeamento de terrenos. Um para a visualização dos detalhes finos do ambiente, gerando um mapa de nuvem de pontos e outro para a visualização das regiões próprias e impróprias para o tráfego do robô, resultando em um mapa de navegabilidade. No mapa de navegabilidade, são utilizados métodos de aprendizado de máquina supervisionado para classificar o terreno em navegável (regiões planas), parcialmente navegável (grama, casacalho) ou não navegável (obstáculos). Os métodos empregados foram, redes neurais artificais e máquinas de suporte vetorial. Os resultados de classificação obtidos por ambos foram posteriormente comparados para determinar a técnica mais apropriada para desempenhar esta tarefa / Autonomous mobile robotics is a recent research area that focus on the construction of mechanisms capable of executing tasks without a human control. In general, mobile robotics deals with three fundamental problems: environment mapping, robot localization and navigation. Without these elements, the robot hardly could move autonomously from a place to another. One problem of this area is the operation of the mobile robots in outdoors (e.g. parks and urban areas), which are considerably more complex than indoor environments (e.g. offices and houses). To exemplify, in outdoor environments, sensors are subjected to weather conditions (sunlight, rain and snow), besides that the navigation algorithms must process a larger quantity of obstacles (people, animals and vegetation). This dissertation presents the development of a system that classifies the navigability of irregular terrains, like streets and sidewalks. The scenario mapping has been done using a robotic platform equipped with a laser range finder sensor directed to the ground. Two terrain mapping algorithms has been devolped. One for environment fine details visualization, generating a point cloud map, and other to visualize appropriated and unappropriated places to robot navigation, resulting in a navigability map. In this map, it was used supervised learning machine methods to classify terrain portions in navigable (plane regions), partially navigable (grass, gravel) or non-navigable (obstacles). The classification methods employed were artificial neural networks and support vector machines. The classification results obtained by both were later compared to determine the most appropriated technique to execute this task

A avaliação perceptivo-auditiva tem papel fundamental no estudo e na avaliação da voz, no entanto, por ser subjetiva está sujeita a imprecisões e variações. Por outro lado, a análise acústica permite a reprodutibilidade de resultados, porém precisa ser aprimorada, pois não analisa com precisão vozes com disfonias mais intensas e com ondas caóticas. Assim, elaborar medidas que proporcionem conhecimentos confiáveis em relação à função vocal resulta de uma necessidade antiga dentro desta linha de pesquisa e atuação clínica. Neste contexto, o uso da inteligência artificial, como as redes neurais artificiais, indica ser uma abordagem promissora. Objetivo: Validar um sistema automático utilizando redes neurais artificiais para a avaliação de vozes rugosas e soprosas. Materiais e métodos: Foram selecionadas 150 vozes, desde neutras até com presença em grau intenso de rugosidade e/ou soprosidade, do banco de dados da Clínica de Fonoaudiologia da Faculdade de Odontologia de Bauru (FOB/USP). Dessas vozes, 23 foram excluídas por não responderem aos critérios de inclusão na amostra, assim utilizaram-se 123 vozes. Procedimentos: avaliação perceptivo-auditiva pela escala visual analógica de 100 mm e pela escala numérica de quatro pontos; extração de características do sinal de voz por meio da Transformada Wavelet Packet e dos parâmetros acústicos: jitter, shimmer, amplitude da derivada e amplitude do pitch; e validação do classificador por meio da parametrização, treino, teste e avaliação das redes neurais artificiais. Resultados: Na avaliação perceptivo-auditiva encontrou-se, por meio do teste Coeficiente de Correlação Intraclasse (CCI), concordâncias inter e intrajuiz excelentes, com p = 0,85 na concordância interjuízes e p variando de 0,87 a 0,93 nas concordâncias intrajuiz. Em relação ao desempenho da rede neural artificial, na discriminação da soprosidade e da rugosidade e dos seus respectivos graus, encontrou-se o melhor desempenho para a soprosidade no subconjunto composto pelo jitter, amplitude do pitch e frequência fundamental, no qual obteve-se taxa de acerto de 74%, concordância excelente com a avaliação perceptivo-auditiva da escala visual analógica (0,80 no CCI) e erro médio de 9 mm. Para a rugosidade, o melhor subconjunto foi composto pela Transformada Wavelet Packet com 1 nível de decomposição, jitter, shimmer, amplitude do pitch e frequência fundamental, no qual obteve-se 73% de acerto, concordância excelente (0,84 no CCI), e erro médio de 10 mm. Conclusão: O uso da inteligência artificial baseado em redes neurais artificiais na identificação, e graduação da rugosidade e da soprosidade, apresentou confiabilidade excelente (CCI > 0,80), com resultados semelhantes a concordância interjuízes. Dessa forma, a rede neural artificial revela-se como uma metodologia promissora de avaliação vocal, tendo sua maior vantagem a objetividade na avaliação. / The auditory-perceptual evaluation is fundamental in the study and analysis of voice. This evaluation, however, is subjective and tends to be imprecise and variable. On the other hand, acoustic analysis allows reproducing results, although these results must be refined since the analysis is not precise enough for intense dysphonia or chaotic waves. Therefore, the will to develop measurements allowing reliable knowledge related to vocal function is not new on this research and clinical actuation field. In this context, the use of artificial intelligence such as neural networks seems to be a promising research field. Objective: to validate an automatic system using artificial neural networks for evaluation of vocal roughness and breathiness. Methods: One hundred fifty (150) voices were selected from from Clínica de Fonoaudiologia da Faculdade de Odontologia de Bauru (FOB/USP) database. These voices presented variation from neutral to intense roughness and/or breathiness. Twenty-three of them were excluded since they did not match inclusion criteria. Thus, 123 voices were used for analysis. The procedures include use of auditoryperception based on two scales: visual analog scale of 100 mm and four points numerical scale. Additionally, the characteristics of voice signals were extracted by Wavelet Packet Transform and by analysis of acoustic parameters: jitter, shimmer, derivative amplitude and pitch amplitude. Validation of classifying system was carried out by parameterization, training, test and evaluation of artificial neural networks. Results: In the auditory-perceptual evaluation, excellent interrater (p=0.85) and intrarater (0.87<p<0.93) agreement were obtained by means of Intraclass Correlation Coefficient (ICC) testing. The artificial neural network performance has achieved the best results for breathiness in the subset composed by parameters jitter, pitch amplitude and fundamental frequency. In this case, the neural network obtained a rate of 74%, demonstrating excellent concordance with auditory-perceptual evaluation for visual analog scale (0.80 ICC) and mean error of 9 mm. As for roughness evaluation, the best subset is composed by Wavelet Packet Transform with 1 resolution level, jitter, shimmer, pitch amplitude and fundamental frequency. For this case, a 73% rate was achieved (0.84 ICC) and mean error of 10 mm was obtained. Conclusion: The use of artificial neural networks for roughness and breathiness evaluation present high reliability (ICC&gt;0.80), with results similar to interrater agreement. Thus, the artificial neural network reveals a promising method for vocal evaluation, bringing objective analysis as a strong advantage.

O objetivo desse trabalho foi o desenvolvimento de algoritmos para reconhecimento de padrões em etiquetas bidimensionais usando Rede Neural Artificial com o apoio de técnicas de Visão Computacional para um correto posicionamento da etiqueta e extração dos dados da imagem da etiqueta para alimentar a Rede Neural Artificial. Primariamente são apresentados os conceitos de sistemas de identificação utilizando etiquetas de código de barras e a seguir tecnologias de Visão Computacional como Processamento Digital de Imagens e Redes Neurais Artificiais. Para aplicar os conceitos e aferir os resultados foi desenvolvido um FrameWork utilizando a linguagem VB.Net com implementação das tecnologias envolvidas. O objetivo inicialmente proposto foi alcançado com a implementação dos algoritmos de Visão Computacional. O processo de carregar a Rede Neural Artificial foi alcançado com êxito e apresentou um bom nível de reconhecimento de padrão. / The objective of this work was the development of algorithms for pattern recognition using two-dimensional labels in Artificial Neural Network with the support of Computer Vision techniques for correct positioning of the label and extract the image data of the feed label for Artificial Neural Network. Primarily the concepts of identification systems using barcode labels and following technologies like Computer Vision Digital Image Processing and Artificial Neural Networks are presented. To apply the concepts and check the results a FrameWork using VB.Net language with implementation of the technologies involved was developed. The objective initially proposed was achieved with the implementation of Computer Vision algorithms. The process of loading the Artificial Neural Network was successfully achieved showing a good level of pattern recognition.

O uso de imagens provenientes de sensores remotos, tal como sistemas acoplados em aviões e satélites, é cada vez mais frequente, uma vez que permite o monitoramento continuo e periódico ao longo do tempo por meio de diversas observações de uma mesma região, por vezes ampla ou de difícil acesso. Essa ferramenta tem se mostrado importante e significativa em aplicações como o mapeamento de solo e fronteiras; acompanhamento de áreas de desmatamento, queimadas e de produção agrícola. Para gerar resultados interpretáveis ao usuário final, essas imagens devem ser processadas. Atualmente, o método de classificação por máxima verossimilhança é o mais empregado para classificação de imagens multiespectrais de sensores remotos, entretanto, por se tratar de uma técnica supervisionada, seus resultados dependem extensivamente da qualidade do conjunto de treinamento, utilizado para definir os parâmetros do método. A seleção de um bom conjunto de treinamento é um processo custoso e inviabiliza a automação da classificação para diversas imagens. O método de classificação por máxima verossimilhança é também paramétrico e portanto exitem algumas suposições quanto a distribuição dos dados que devem ser atendidas, caso contrário a aplicação do método pode gerar resultados ruins. Tendo em vista essas desvantagens do método da máxima verossimilhança, este trabalho propõe um novo método para a classificação de imagens multiespectrais provenientes de sensores remotos de forma que o procedimento seja autônomo, veloz e preciso, minimizando dessa forma os possíveis erros humanos inseridos em etapas intermediárias do processo, tal como a definição de conjuntos de treinamento. O método aqui proposto pertence ao conjunto das redes neurais artificiais (RNAs) e é denominado growing neural gas (GNG). Este método baseia-se no aprendizado não supervisionado de padrões \"naturais\" dentro de um conjunto de dados por meio da criação e adaptação de uma rede mínima de neurônios. Os resultados gerados a partir da classificação pela RNA foram comparados com os métodos mais utilizados na literatura atual, sendo eles o método da máxima verossimilhança e o método k-means. A partir da biblioteca espectral ASTER, mantida e criada parcialmente pela NASA, foram realizadas várias repetições do experimento, que consiste em classificar os dados de acordo com as diferentes classes existentes, e para cada uma destas repetições calculou-se uma medida de acurácia, denominada índice kappa, além do tempo de execução de cada método, de forma que suas médias foram comparadas via intervalo de confiança gerados por bootstrap não paramétrico. Também investigou-se como a análise de componentes principais (ACP), técnica utilizada para reduzir a dimensão dos dados e consequentemente o custo computacional, pode influenciar no desempenho dos métodos, tanto em sua qualidade de classificação quanto em relação ao tempo de execução. Os resultados mostram que o método proposto é superior nos dois aspectos estudados, acurácia e tempo de execução, para a maioria dos fatores aplicados. Mostra-se ainda um exemplo de aplicação prática em que uma imagem multiespectral de satélite não satisfaz as pré-suposições estabelecidas para o uso do método da máxima verossimilhança e verifica-se a diferença entre os métodos com relação a qualidade final da imagem classificada. / The use of images from remote sensors, such as coupled systems in airplanes and satellites, are increasingly being used because they allow continuous and periodic surveillance over time through several observations of some particular area, sometimes large or difficult to access. This sort of image has shown an important and meaningful participation in applications such as soil and borders mapping; surveillance of deforestation, forest fires and agricultural production areas. To generate interpretable results to the end user, these images must be processed. Currently, the maximum likelihood classification method is the most used for multispectral image classification of remote sensing, however, because it is a supervised technique, the results depend extensively on the quality of the training set, used to define the parameters of the method. Selecting a good training set is a costly process and prevents the automation of classification for different images. The maximum likelihood classification method is also parametric, and therefore, some assumptions about the distribution of the data must be met, otherwise the application of the method can generate bad results. In view of these disadvantages of the maximum likelihood method, this dissertation proposes a new, autonomous, fast and accurate method for multispectral remote sensing imagery classification thereby minimizing the possible human errors inserted at intermediate stages of the process, such as the definition of training sets. The method proposed here belongs to the set of artificial neural networks (ANN) and is called growing neural gas (GNG). This method is based on unsupervised learning of \"natural\" patterns in a dataset through the creation and adaptation of a minimum network of neurons. The results generated from the classification by ANN were compared with the most commonly used methods in the literature: the maximum likelihood method and the k-means method. From the spectral library Aster, maintained and made in part by NASA, several replications of the experiment were made, which is to classify the data according to different preestablished classes, and a measure of accuracy called kappa index was calculated for each of the replicates, in addition to the execution time of each method, so that their means were compared via confidence interval generated by nonparametric bootstrap. It was additionally investigated how principal component analysis (PCA), technique which reduces dimension of data and consequently the computational cost, can influence the performance of methods, both in its quality rating and runtime. The results show that the proposed method is superior in both aspects studied, accuracy and runtime, for the majority of applied factors. Furthermore, it is shown an example of a practical application in which a multispectral satellite image does not necessarily meet the established assumptions for using the maximum likelihood method, and there is a difference between the methods, regarding to its final classified image quality.

As áreas de visão computacional e redes neurais artificiais (RNAs) e suas aplicações, tiveram um enorme progresso em pesquisa e aplicações práticas nos últimos anos. Sistemas de inspeção visual automática têm despertado muita atenção na indústria pois provêem meios econômicos, eficientes e precisos de obtenção de controle de qualidade. Porém, apesar do grande avanço tecnológico, a maioria dos sistemas existentes, com exceção de alguns poucos experimentais, são especializados e foram projetados para inspecionar um único objeto ou peça, de tipo previamente conhecido, e em posição, orientação e distância em relação à câmara altamente restritas. Este trabalho descreve um sistema de reconhecimento de imagens contendo múltiplos objetos de classes aleatórias e tolerante a ruído. Um estágio de pré-processamento filtra parte do ruído e segmenta regiões conectadas da imagem (RCI). A classificação dos padrões é feita com redes neurais de múltiplas camadas a partir de atributos invariantes calculados sobre as RCis. No final do processo temos uma listagem dos objetos contidos na cena, suas posições e orientações, os quais podem servir de entrada a um sistema de entendimento da cena, de mais alto nível, ou para outras máquinas, como um manipulador automático. Outros parâmetros podem ser utilizados para normalizar, em escala, orientação e posição, os padrões contidos na imagem, para efeito de comparações com imagens e parâmetros dos objetos previamente armazenados em bancos de dados. Dois métodos de treinamento de RNAs foram testados, o gradiente conjugado e o Levenberg-Marquardt, em conjunção com simulated annealing, para diferentes condições de erro e conjuntos de atributos. Imagens reais e sintéticas foram utilizadas para efeitos de testes de classificação correta e rejeição de padrões espúrios. Resultados são apresentados e comentados, destacando a capacidade de generalização do sistema mesmo com elevada degradação da imagem pelo ruído. Uma das vantagens do tipo de RNA empregado é a velocidade de execução, que permite ao sistema ser integrado a uma linha de montagem industrial. O sistema foi projetado com a utilização de recursos acessíveis e de baixo custo, sendo executado em computadores pessoais, e podendo ser facilmente adaptado para o uso em pequenas e médias empresas. / Computer vision (CV) and artificial neural networks (ANN) are important research fields of artificial intelligence. Visual pattern recognition (VPR) and object recognition (2 or 3-D) are central tasks in a high level computer vision system. Despite the great development in the recent years, most of the current automatic visual inspection systems work with only one kind of pattern at time which has pose highly restricted. This dissertation describes a system designed to recognize patterns and objects in a digital image which have unknown number object types and poses. Such image, which is also degraded by noise, serve as input for the system. After gray level change and filtering, the pixel connected regions (CR) are codified, and the remained noise is eliminated. lnvariant features, i.e., moment invariants, serve as inputs for artificial neural networks that perform pattern classification. An interpretation module decode the net\'s outputs and increases the correct assignment by testing the net\'s higher outputs values. After all identified patterns were classified, we have an object listing of the scene, their positions and other information, which can be the input for a higher level scene understanding system, that may check for objects relations and could send information for humans or for other machines. Two ANN learning methods were adopted for training the networks, the conjugate gradient and the Levenberg-Marquardt Algoritms, both in conjuction with siumlated annealing, for different error conditions and feature sets. Sinthetic and real images were utilized for testing the net\'s correct class assignments and rejections. Results are presented as well as comments focusing the system\'s generalization capability despite noise, geometrical transformations, object shadows and other degradations over the images. One of the advantages of the ANN employed is the low execution time allowing the system to be integrated to an assembly industry line. The system runs on low cost personal computers, therefore it can be easily adapted for the Brazilian reality and can even be used by little companies and industries.

Este trabalho consiste em apresentar o desenvolvimento de um Smart meter, integrado a um analisador de qualidade de energia, para análise de distorções harmônicas, utilizando método de redes neurais artificiais embarcado em hardware. Tal Smart meter está incluído dentro dos conceitos de Smart Grid, que serão apresentados também neste trabalho. O intuito do desenvolvimento do Smart meter para análise de distorções harmônicas é auxiliar concessionárias de energia elétrica a identificar que tipo de carga o consumidor utiliza em sua residência, a fim de contribuir para a tomada de decisões apropriadas, tais como a diminuição da emissão de correntes harmônicas, demanda de energia, detecção de falhas no fornecimento de energia elétrica e faturas diferenciadas de acordo com a quantidade de harmônicas injetadas na rede elétrica. Adicionalmente, observou-se que o Smart meter desenvolvido pode ser ainda utilizado para detectar fenômenos de VTCD, como elevação, afundamento e interrupção de energia. Todo o processo de desenvolvimento do Smart meter é apresentado no decorrer desta tese de doutorado. / This thesis consists to present the development of a Smart Meter integrated to power quality analyzer for the analysis of harmonic distortion, using methods based on artificial neural networks in embedded hardware. This Smart Meter is included within the concepts of Smart Grid, which will be also presented in this work. The intention of the development of the Smart Meter for analysis of harmonic distortion is to assist utilities companies to identify what loads type the consumer uses at your residence in order to contribute for supporting decisions, such as reducing the emission of the harmonic currents, power demand and faults detection in electric energy supply and distinct bills according to the amount of harmonics injected into the power grid. In addition, it was observed that this developed Smart Meter can be even used to detect the VTCD phenomena, such as swell, sag and interruption of the energy supply. All development steps of this Smart Meter is presented in this doctoral thesis.

[pt] A maioria dos laboratórios não conta com um sistema informatizado para gestão dos procedimentos pertinentes a cada caso. A administração e controle das amostras é feito manualmente, através de diversas fichas que são preenchidas desde o colhimento do material biológico, no hospital, até a identificação final da bactéria no laboratório. Dessa forma, a organização das informações fica limitada, uma vez que, estando as informações escritas à mão e guardadas em livros, é quase impossível a extração de conhecimento útil que possa servir não só no apoio à decisão, como também, na formulação de simples estatísticas. Esta dissertação teve dois objetivos principais. O desenvolvimento de um sistema Web, intitulado BCIWeb (Bacterial Classification and Identification for Web), que fosse capaz de auxiliar na identificação bacteriológica e prover a tecnologia necessária para a administração e controle de amostras clínicas oriundas de hospitais. E a descoberta de conhecimento na base de dados do sistema, através da mineração de dados utilizando os métodos de Mapas Auto-Organizáveis (SOM: Self-Organizing Maps) e Redes Multilayer Perceptrons (MLP) para classificação e identificação de bactérias. A partir do desenvolvimento desta ferramenta amigável, no estudo de caso, os dados históricos do LDCIC (Laboratório de Difteria e Corinebactérias de Importância Clínica) do Departamento de Biologia da UERJ foram inseridos no sistema. Os métodos inteligentes propostos para classificação e identificação de bactérias foram analisados e apresentaram resultados promissores na área. / [en] Most laboratories do not have a computerized system for management procedures. The administration and control of the samples are made manualy through many forms of data sheets which are filled from the beginning, when the samples of biological materials are gathered at the hospital, up to the final identification at the laboratory. In this context, the organization of the information become very limited, while the information writting by hands and stored in books, its almost impossible to extract useful knowledge, which could help not only supporting decisions but also in the formulations of simples statistics. This thesis had two objectives. The development of a web system called BCIWeb (Bacterial Classifiation and Identification for Web) that could assist in bacterial identification and provide the technology necessary for the administration and control of clinical specimen coming from the hospitals and the discovery of knowledge in database system, through data mining methods using SOM (Self Organizing Maps) and Multilayer Perceptron Neural Networks (MLP) for classification and identificatin of bactéria. From the development of this friendly tool, in the case study, the historical data from LDCIC (Laboratório de Difteria e Corinebactérias de Importância Clínica) of UERJ Biology Department were entered into the system. The proposed intelligent methods for classification and identification of bacteria were analysed and showed promising results.

Orientador: Denis Henrique Pinheiro Salvadeo / Resumo: Tomossíntese Mamária Digital (DBT) é uma técnica de imageamento radiográfico, com aquisição de projeções em ângulos limitados utilizando dose reduzida de radiação. Ela tem por objetivo reconstruir fatias tomográficas do interior da mama, possibilitando o diagnóstico precoce de possíveis lesões e aumentando, consequentemente, a probabilidade de cura do paciente. Contudo, devido ao fato de que DBT utiliza doses baixas de radiação, a imagem gerada contém mais ruído que a mamografia digital. Embora a qualidade do exame esteja diretamente relacionada com a dose utilizada, espera-se que a dose de radiação empregada no exame seja a mais baixa possível, mas ainda com qualidade suficiente para que o diagnóstico possa ser realizado, conforme o princípio As Low As Reasonably Achievable (ALARA). Uma das etapas importantes para se buscar o princípio ALARA é a reconstrução tomográfica, que consiste em um software que gera as fatias do interior da mama a partir de um conjunto de projeções 2D de DBT adquiridas. Por outro lado, técnicas de Aprendizado de Máquina, especialmente redes neurais com aprendizado profundo, que recentemente tem evoluído consideravelmente o estado da arte em diversos problemas de Visão Computacional e Processamento de Imagens, tem características adequadas para serem aplicadas também na etapa de reconstrução. Deste modo, este trabalho investigou uma arquitetura básica de rede neural artificial com aprendizado profundo que seja capaz de reconstruir imagens de DBT, espe... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Digital Breast Tomosynthesis (DBT) is a technique of radiographic imaging, with acquisition of projections at limited angles using reduced dose of radiation. It aims to reconstruct tomographic slices inside the breast, making possible the early diagnosis of possible lesions and, consequently, increasing the probability of cure of the patient. However, due to the fact that DBT uses low doses of radiation, the generated image contains more noise than digital mammography. Although the quality of the exam is directly related to the dose applied, the radiation dose used in the examination is expected to be as low as possible, but still keeping enough quality for the diagnosis to be made, as determined by the As Low As Reasonably Achievable (ALARA) principle. One of the important steps to achieve the ALARA principle is the tomographic reconstruction, which consists of a software that generates slices inside the breast from an acquired set of 2D DBT projections. On the other hand, Machine Learning techniques, especially neural networks with deep learning, that have recently evolved considerably the state-of-the-art in several problems in Computer Vision and Image Processing areas, it has suitable characteristics to be applied also in the reconstruction step. Thus, this work investigated a basic architecture of artificial neural network with deep learning that is capable to reconstruct DBT images, especially focused on noise reduction. Furthermore, considering an additional filtering... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

[pt] Existe uma crescente demanda por modelos dinâmicos precisos, parte impulsionada pelo paradigma da indústria 4.0 que introduz, dentre outros, o conceito de gêmeo digital no qual modelos dinâmicos possuem um papel importante. Idealmente, um modelo dinâmico apresenta um compromisso entre complexidade e precisão, enquanto proporciona informações sobre a física do sistema. Para melhorar a precisão de um modelo mantendo a interpretabilidade, a abordagem usual é modelar matematicamente todas não-linearidades, o que leva a um modelo muito complexo. Outra abordagem envolve identificação caixa-preta, uma abordagem onde um modelo matemático é ajustado para descrever a relação de entrada e saída do sistema, a qual pode fornecer um modelo preciso, porém não interpretável. Os avanços na capacidade de processamento computacional permitiram o florescimento da area de aprendizado de máquinas, a qual tem mostrado resultados interessantes em diferentes campos do conhecimento. Uma dessas aplicações é em identificação caixa-preta, onde o aprendizado de máquinas tem sido empregado com sucesso na modelagem de sistemas não-lineares, o que tem inspirado pesquisas sobre o tema. Apesar dos modelos baseados em aprendizado de máquina apresentarem elevada precisão, o que é suficiente para diversas aplicações, eles não são interpretáveis. Dessa forma, visando obter modelos que possuem ambas as características de precisão e interpretabilidade, enquanto mantém um compromisso com a complexidade, esta tese propõe uma metodologia de identificação híbrida que combina um modelo fenomenológico caixa cinza com um modelo caixa preta baseado em redes neurais artificiais. A metodologia proposta é aplicada em três casos de estudo de sistemas não lineares com dados experimentais, a saber, a dinâmica vertical de um veículo, um atuador com junta flexível baseado em elastômero e um sistema de posicionamento eletromecânico. Os resultados mostram que o modelo híbrido proposto é até 60 por cento mais preciso enquanto proporciona a interpretabilidade física do sistema, sem aumentar significativamente a complexidade do modelo. / [en] There is a growing demand for accurate dynamic models, driven by the Industry 4.0 paradigm that introduces, among others, the concept of the digital twin in which dynamic models play an important role. Ideally, a dynamic model presents a compromise between complexity and accuracy, while providing physical insight into the system. To improve a model accuracy while keeping interpretability, the usual approach is to mathematically model all the nonlinearities, which ultimately leads to an overcomplex model. Another approach involves a black-box identification, a data-driven approach where a mathematical model is adjusted to describe the system s input-output relation, which may provide an accurate model, but it does not provide interpretability. The developments in computational processing capacity have allowed the flourishing of the field of machine learning, which has shown interesting results in different fields of knowledge. One of these applications is black-box identification, where machine learning has successfully been employed in the modeling of nonlinear systems, which has inspired research on the topic. Even though the machine-learning-based models present enhanced accuracy, which for several applications is sufficient, they do not provide interpretability. Aiming at providing both accuracy and interpretability while keeping a compromise with model complexity, this work proposes a hybrid identification methodology that combines a gray-box phenomenological model with a black-box model based on artificial neural networks. The proposed methodology is applied in three case studies of nonlinear systems with experimental data, namely, the vertical dynamics of a vehicle, an elastomer-based series elastic actuator, and an electromechanical positioning system. The results show that the proposed hybrid model is up to 60 percent more accurate while providing the physical interpretability of the system, without significantly increasing the complexity of the model.

[pt] O cálculo do fluxo de potência em uma rede elétrica consiste em determinar o estado da rede, os fluxos e perdas elétricas nas linhas e as perdas internas totais no sistema. Nesse tipo de problema, a modelagem do sistema é estática e a rede é representada por um conjunto de equações e inequações algébricas. Diferentes métodos de solução foram propostos na literatura para realizar cálculos de fluxo de potência. No entanto, para redes de distribuição, esses métodos devem ser capazes de modelar, com detalhes suficientes, algumas características únicas desses sistemas, como sua estrutura quase radial, a natureza desequilibrada das cargas e a inserção de geradores distribuídos. Além disso, a modelagem do padrão de consumo nos sistemas de distribuição é mais complexa e os parâmetros das linhas são mais difíceis de serem obtidos, quando comparados com o sistema de transmissão. Portanto, a aplicação de métodos tradicionais para cálculos de fluxo de potência em redes de distribuição pode levar a soluções divergentes. Nesse contexto, o presente trabalho propõe uma nova abordagem para cálculos de fluxo de potência em sistemas de distribuição, baseada em Machine Learning. Os modelos propostos utilizam Redes Neurais Artificiais (RNAs) para prever as perdas ativas internas de uma rede de distribuição e os fluxos de potência nas fronteiras com o sistema de transmissão. Simulações numéricas demonstram o desempenho eficiente da abordagem proposta, além de suas vantagens computacionais em relação aos softwares normalmente utilizados nesse tipo de estudo pois, uma vez treinadas, as RNAs podem aproximar, de modo extremamente rápido, cálculos de fluxo de potência, já que apenas operações matriciais são realizadas. Além disso, o trabalho apresenta uma aplicação da metodologia proposta: as previsões, obtidas pela RNA, para os fluxos nas fronteiras com a rede de transmissão foram utilizadas para gerar contratos ótimos de demanda para um sistema de distribuição real no Brasil. / [en] The power flow calculation on an electric network consists of determining the network s state, power flows and electrical losses on the lines, and total losses on the feeder. In this type of problem, the system s modeling is static, and the network is represented by a set of algebraic equations and inequations. Different solution methods were proposed in the literature to perform power flow calculations. However, for distribution networks, these methods must be able to model, with sufficient details, some unique features of these systems, such as their near radial structure, the unbalanced nature of the loads, and distributed generators insertion. Besides that, modeling the consumption pattern in distribution systems is more complex, and the line parameters are more difficult to be obtained when compared to the transmission system. Hence, applying traditional methods for power flow calculations in distribution networks may lead to divergent solutions. Within this context, this work proposes a new approach for power flow calculations in distribution systems based on Machine Learning. The proposed models use Artificial Neural Networks (ANNs) to predict the active internal losses of a distribution network and the power flows at the borders with the transmission system. Numerical simulations demonstrate the effective performance of the proposed approach, as well as its computational advantages over benchmark software programs since, once trained, ANNs can approximate power flow calculations extremely fast, as only matrix operations are needed. Moreover, the work presents an application of the ANN methodology proposed: predictions of the flows at the borders with the transmission network were used to generate optimal demand contracts for a real distribution system in Brazil.