Orientador: José Paulo Fernandes Garcia / Banca: Marcelo Carvalho M. Teixeira / Banca: Edvaldo Assunção / Banca: Fuad Kassab Junior / Banca: Marco Henrique Terra / Resumo: Este trabalho apresenta três novas estratégias de controle discreto. O enfoque principal do trabalho foi dado ao Controle Discreto com Modos Deslizantes (CDMD) aplicados em sistemas que possuem atraso no processamento do sinal de controle. As novas estratégias de controle objetivam a elaboração de leis de fácil implementação prática e que ao mesmo tempo sejam robustas a incertezas da planta. Uma característica destas novas abordagens para controle discreto com atraso no tempo é a utilização de um Controle com Modos Deslizantes sem a necessidade de predição do sinal de controle. Os métodos de projeto propostos podem ser aplicados no controle de plantas estáveis ou instáveis com atraso no sinal de controle. Uma das estratégias foi elaborada para realizar controle apenas em sistemas discretos que não possuem atraso no sinal de controle, enquanto que as demais são utilizadas para controle em sistemas com atraso. São apresentadas simulações e resultados de implementações práticas, sobre uma planta estável de Controle Automático da Geração (CAG) e sobre um Sistema Pêndulo Invertido, que caracteriza bem uma planta instável. Os resultados comprovam a eficácia dos novos controladores. / Abstract: This work presents three new strategies of discrete-time control. The main focus of the work was given to the Sliding Mode Control (SMC) applied in systems that present delay in the processing of the control sign. The new control strategies provide laws of control of easy practical implementation and that at the same time are robust to uncertainties of the plant. A characteristic of these new approaches, for discrete-time control with delay-time, is the use of a Sliding Mode Control without the need of prediction of the control signal. The proposed design methods can be applied in the control of stable or unstable plants, with delay in the control signal. One of the strategies was elaborated to accomplish control just in discrete-time system without delay-time in the control sign, while the others are used for control in systems with delay-time. Simulations and experimental results are shown on a stable plant of Automatic Generation Control (AGC) and on Inverted Pendulum System, that is an unstable plant. The results prove the controllers' effectiveness. / Doutor

ANP; FINEP; MCT; CAPES / Este trabalho objetiva otimizar a localização de um robô móvel para a inspeção dos tanques de armazenamento de GLP -- Gás Liquefeito de Petróleo -- e permitir a navegação autônoma deste robô por toda a superfície do tanque. A falta de marcos no interior dos tanques levou ao desenvolvimento de uma solução envolvendo detecção de pequenas estruturas com sensores LIDAR (Light Detection and Ranging - Detecção e Telemetria por Luz) aplicada aos cordões de solda, estes sim presentes no interior do tanque, que é apresentada na primeira parte do trabalho. Em seguida, aplicando uma técnica de fusão de dados, as diferentes fontes de odometria presentes no robô são combinadas, permitindo uma precisão mais elevada na inspeção de modo geral. Por fim, o mapeamento e navegação simultâneos do exterior da esfera é abordado, a fim de se adicionar uma camada suplementar ao mapa digital, indicando os locais onde existem falhas. Testes para validação de cada uma das técnicas foram efetuados e uma análise de desempenho é apresentada ao final do trabalho. / This work aims to optimize localization of a climbing inspection robot for spherical LPG -- Liquified Petroleum Gas -- tanks and allow autonomous navigation along the entire surface of these tanks. One solution envolving small structures detection using LIDAR sensors is applied to the weld beads that are present inside the tanks. This solution is developed on the first part of this work. Following, a data fusion technique is used to combine the diferent odometry sources on the robot, resulting in a better, higher precision on the inspection as a whole. Finnaly, simultaneous mapping and navigation on the exterior of the spherical tank was studied in order to add one extra layer to the digital map, pinpointing the places where failures and weld beams were found. Validation tests for each one of this techniques are carried out and a performance analysis is also documented herein.

ANP; FINEP; MCT; CAPES / Este trabalho objetiva otimizar a localização de um robô móvel para a inspeção dos tanques de armazenamento de GLP -- Gás Liquefeito de Petróleo -- e permitir a navegação autônoma deste robô por toda a superfície do tanque. A falta de marcos no interior dos tanques levou ao desenvolvimento de uma solução envolvendo detecção de pequenas estruturas com sensores LIDAR (Light Detection and Ranging - Detecção e Telemetria por Luz) aplicada aos cordões de solda, estes sim presentes no interior do tanque, que é apresentada na primeira parte do trabalho. Em seguida, aplicando uma técnica de fusão de dados, as diferentes fontes de odometria presentes no robô são combinadas, permitindo uma precisão mais elevada na inspeção de modo geral. Por fim, o mapeamento e navegação simultâneos do exterior da esfera é abordado, a fim de se adicionar uma camada suplementar ao mapa digital, indicando os locais onde existem falhas. Testes para validação de cada uma das técnicas foram efetuados e uma análise de desempenho é apresentada ao final do trabalho. / This work aims to optimize localization of a climbing inspection robot for spherical LPG -- Liquified Petroleum Gas -- tanks and allow autonomous navigation along the entire surface of these tanks. One solution envolving small structures detection using LIDAR sensors is applied to the weld beads that are present inside the tanks. This solution is developed on the first part of this work. Following, a data fusion technique is used to combine the diferent odometry sources on the robot, resulting in a better, higher precision on the inspection as a whole. Finnaly, simultaneous mapping and navigation on the exterior of the spherical tank was studied in order to add one extra layer to the digital map, pinpointing the places where failures and weld beams were found. Validation tests for each one of this techniques are carried out and a performance analysis is also documented herein.

This work presents an intelligent control of position and velocity to a climber robot developed to perform inspections of pressure vessels. The climber robot has steerable and magnetic wheels, which makes it similar to an omnidirectional robot due to its high maneuverability. The intelligent velocity control proposed uses the switching Fuzzy controllers according to the movement to be performed, which allow the use of all the robot's movement potential respecting the constraints imposed by the dynamic model and magnetic adhesion. Also, a position controller was developed in cascade with the speed controller to verify the navigation capability of the robot in a 2D environment. Simulated and experimental tests are applied for validation of control techniques implemented and they're presented at the end of this work. / Este trabalho apresenta um controle inteligente de posição e velocidade para um robô escalador desenvolvido para realizar inspeções em vasos de pressões. O robô escalador possui rodas direcionáveis e magnéticas, o que o torna similar a um robô omnidirecional em virtude da sua alta manobrabilidade. O controle inteligente de velocidade proposto utiliza o chaveamento de controladores Fuzzy de acordo com o movimento a ser realizado, que permitem a utilização de todo o potencial de movimentação do robô respeitando as restrições impostas pelo modelo dinâmico e pela adesão magnética. Também foi projetado um controlador de posição em cascata com o de velocidade para a verificação da capacidade de navegação do robô em um ambiente 2D. Testes simulados e experimentais são aplicados para a validação das técnicas de controle implementadas e são apresentados ao final do trabalho.

A pesquisa em visão computacional ainda está distante de replicar a adaptabilidade e o desempenho do Sistema Visual Humano. Grande parte das técnicas consolidadas são válidas apenas em cenas estáticas e condições restritivas. Cabeças robóticas representam um avanço em flexibilidade, pois carregam câmeras que podem ser movimentadas livremente para a exploração dos arredores. A observação artificial de um ambiente dinâmico exige a solução de pelo menos dois problemas: determinar quais informações perceptuais relevantes extrair dos sensores e como controlar seu movimento para mudar e manter a fixação de alvos com forma e movimento arbitrários. Neste trabalho, um sistema de controle de fixação binocular geral é proposto, e o subsistema responsável pela seleção de alvos e fixação de deslocamentos laterais é projetado, experimentado e avaliado em uma cabeça robótica com quatro graus de liberdade. O subsistema emprega um popular modelo de atenção visual de baixo nível para detectar o ponto mais saliente da cena e um controlador proporcional-integral gera um movimento conjuntivo das duas câmeras para centralizá-lo na imagem da câmera esquerda, assumida como dominante. O desenvolvimento do sistema envolveu primeiramente a modelagem física detalhada do mecanismo de pan e tilt das câmeras. Então, a estrutura linearizada obtida foi ajustada por mínimos quadrados aos dados experimentais de entrada-saída. Por fim, os ganhos do controlador foram sintonizados por otimização e ajuste manual. A implementação em C++ com a biblioteca OpenCV permitiu operação em tempo real a 30 Hz. Experimentos demonstram que o sistema é capaz de fixar alvos estáticos e altamente salientes sem conhecimento prévio ou fortes suposições. Alvos em movimento harmônico são perseguidos naturalmente, embora com defasamento. Em cenas visualmente densas, onde múltiplos alvos em potencial competem pela atenção, o sistema pode apresentar comportamento oscilatório, exigindo o ajuste fino dos pesos do algoritmo para operação suave. A adição de um controlador para o pescoço e de um controlador de vergência para a compensação de deslocamentos em profundidade são os próximos passos rumo a um observador artificial genérico. / Computer vision research is still far from replicating the adaptability and performance of the Human Visual System. Most of its consolidated techniques are valid only over static scenes and restrictive conditions. Robot heads represent an advance in terms of flexibility by carrying cameras that can be freely moved to explore the surroundings. Artificial observation of dynamic environments requires the solution of at least two problems: to determine what is the relevant perceptual information to be extracted from the sensors and how to control their movement in order to shift and hold gaze on targets featuring arbitrary shapes and motions. In this work, a general binocular gaze control system is proposed, and the subsystem responsible for targeting and following lateral displacements is designed, tested and assessed in a four degrees-of-freedom robot head. The subsystem employs a popular low-level visual attention model to detect the most salient point in the scene, and a proportional-integral controller generates a conjunctive movement of the cameras to center it in the left camera image, assumed to be dominant. The development started with a detailed physical modeling of the pan and tilt mechanism that drives the cameras. Then, the linearized structure obtained was fitted via least squares estimation to experimental input-output data. Finally, the controller gains were tuned by optimization and manual adjustment. The OpenCV-based implementation in C++ allowed real-time execution at 30 Hz. Experiments demonstrate that the system is capable of fixating highly salient and static targets without any prior knowledge or strong assumptions. Targets describing harmonic motion are naturally pursued, albeit with a phase shift. In cluttered scenes, where multiple potential targets compete for attention, the system may present oscillatory behavior, requiring fine adjustment of algorithm weights for smooth operation. The addition of a controller for the neck and a vergence controller to compensate for depth displacements are the next steps towards a generic artificial observer.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / This thesis proposes an automated grid-based alignment system utilizing lasers and an array of light-detecting photodiodes. The intent is to create an inexpensive and scalable alignment system for pick-and-place robotic systems. The system utilizes the transformation matrix, geometry, and trigonometry to determine the movements to align the robot with a grid-based array of photodiodes. The alignment system consists of a sending unit utilizing lasers, a receiving module consisting of photodiodes, a data acquisition unit, a computer-based control system, and the robot being aligned. The control system computes the robot movements needed to position the lasers based on the laser positions detected by the photodiodes. A transformation matrix converts movements from the coordinate system of the grid formed by the photodiodes to the coordinate system of the robot. The photodiode grid can detect a single laser spot and move it to any part of the grid, or it can detect up to four laser spots and use their relative positions to determine rotational misalignment of the robot. Testing the alignment consists of detecting the position of a single laser at individual points in a distinct pattern on the grid array of photodiodes, and running the entire alignment process multiple times starting with different misalignment cases. The first test provides a measure of the position detection accuracy of the system, while the second test demonstrates the alignment accuracy and repeatability of the system. The system detects the position of a single laser or multiple lasers by using a method similar to a center-of-gravity calculation. The intensity of each photodiode is multiplied by the X-position of that photodiode. The summed result from each photodiode intensity and position product is divided by the summed value of all of the photodiode intensities to get the X-position of the laser. The same thing is done with the Y-values to get the Y-position of the laser. Results show that with this method the system can read a single laser position value with a resolution of 0.1mm, and with a maximum X-error of 2.9mm and Y-error of 2.0mm. It takes approximately 1.5 seconds to process the reading. The alignment procedure calculates the initial misalignment between the robot and the grid of photodiodes by moving the robot to two distinct points along the robot’s X-axis so that only one laser is over the grid. Using these two detected points, a movement trajectory is generated to move that laser to the X = 0, Y = 0 position on the grid. In the process, this moves the other three lasers over the grid, allowing the system to detect the positions of four lasers and uses the positions to determine the rotational and translational offset needed to align the lasers to the grid of photodiodes. This step is run in a feedback loop to update the adjustment until it is within a permissible error value. The desired result for the complete alignment is a robot manipulator positioning within ±0.5mm along the X and Y-axes. The system shows a maximum error of 0.2mm in the X-direction and 0.5mm in the Y-direction with a run-time of approximately 4 to 5 minutes per alignment. If the permissible error value of the final alignment is tripled the alignment time goes down to 1 to 1.5 minutes and the maximum error goes up to 1.4mm in both the X and Y-directions. The run time of the alignment decreases because the system runs fewer alignment iterations.