Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um sistema de posicionamento dinâmico para uma pequena embarcação baseado em controle a estrutura variável com realimentação por visão computacional. Foram investigadas, na literatura, diversas técnicas desenvolvidas e escolheu-se o controle a estrutura variável devido, principalmente, ao modo de acionamento dos propulsores presentes no barco utilizado para os experimentos. Somando-se a isto, foi considerada importante a robustez que a técnica de controle escolhida apresenta, pois o modelo utilizado conta com incerteza em sua dinâmica. É apresentado ainda o projeto da superfície de deslizamento para realizar o controle a estrutura variável. Como instrumento de medição optou-se por utilizar técnicas de visão computacional em imagens capturadas a partir de uma webcam. A escolha por este tipo de sistema deve-se a alta precisão das medições aliada ao seu baixo custo. São apresentadas simulações e experimentos com controle a estrutura variável em tempo discreto utilizando a integral do erro da posição visando eliminar o erro em regime. Para realizar o controle que demanda o estado completo, são comparados quatro estimadores de estado realizados em tempo discreto: derivador aproximado; observador assintótico com uma frequência de amostragem igual a da câmera; observador assintótico com uma frequência de amostragem maior que a da câmera; e filtro de Kalman. / The design of a dynamic positioning system for a small boat based on variable strutucture control and visual-servoing is presented. Many control tecniques have been investigated and the variable structure control was chosen, mainly, due the operation mode of the motor drivers installed on the boat applied in the experiments. The robustness of this control technique was also considered since the available dynamic model of the boat is uncertain. The design of the sliding surface is shown as well. Computer vision techniques were used to measure the position of the boat from images taken with a webcam, this kind of measure system was chosen due to its high accuracy and low cost. Simulation and experimental results of discrete time variable structure control with integral action of the boats postion, included in order to eliminate steady state error, are shown. To develop this controller four state estimators, in discrete time, are compared: derivative of position; asymptotic observer at a high sampling rate; asymptotic observer at webcams sampling rate; and Kalman filter.

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um sistema de posicionamento dinâmico para uma pequena embarcação baseado em controle a estrutura variável com realimentação por visão computacional. Foram investigadas, na literatura, diversas técnicas desenvolvidas e escolheu-se o controle a estrutura variável devido, principalmente, ao modo de acionamento dos propulsores presentes no barco utilizado para os experimentos. Somando-se a isto, foi considerada importante a robustez que a técnica de controle escolhida apresenta, pois o modelo utilizado conta com incerteza em sua dinâmica. É apresentado ainda o projeto da superfície de deslizamento para realizar o controle a estrutura variável. Como instrumento de medição optou-se por utilizar técnicas de visão computacional em imagens capturadas a partir de uma webcam. A escolha por este tipo de sistema deve-se a alta precisão das medições aliada ao seu baixo custo. São apresentadas simulações e experimentos com controle a estrutura variável em tempo discreto utilizando a integral do erro da posição visando eliminar o erro em regime. Para realizar o controle que demanda o estado completo, são comparados quatro estimadores de estado realizados em tempo discreto: derivador aproximado; observador assintótico com uma frequência de amostragem igual a da câmera; observador assintótico com uma frequência de amostragem maior que a da câmera; e filtro de Kalman. / The design of a dynamic positioning system for a small boat based on variable strutucture control and visual-servoing is presented. Many control tecniques have been investigated and the variable structure control was chosen, mainly, due the operation mode of the motor drivers installed on the boat applied in the experiments. The robustness of this control technique was also considered since the available dynamic model of the boat is uncertain. The design of the sliding surface is shown as well. Computer vision techniques were used to measure the position of the boat from images taken with a webcam, this kind of measure system was chosen due to its high accuracy and low cost. Simulation and experimental results of discrete time variable structure control with integral action of the boats postion, included in order to eliminate steady state error, are shown. To develop this controller four state estimators, in discrete time, are compared: derivative of position; asymptotic observer at a high sampling rate; asymptotic observer at webcams sampling rate; and Kalman filter.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:06:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6235.pdf: 6898238 bytes, checksum: 058a3b75f03de2058255b7fa7db30dac (MD5) Previous issue date: 2014-05-22 / Financiadora de Estudos e Projetos / Visual servoing is a technique that uses computer vision to acquire visual information (by camera) and a control system with closed loop circuit to control robots. One typical application of visual servoing is tracking objects on conveyors in industrial environments. Visual servoing has the advantage of obtaining a large amount of information from the environment and greater flexibility in operations than other types of sensors. A disadvantage are the delays, known as dead-times or time-delays that can occur during the treatment of visual information in computer vision tasks or other tasks of the control system that need large processing capacity. The dead-times in visual servoing applied in industrial operations such as in the tracking of objects on conveyors are critical and can negatively affect production capacity in manufacturing environments. Some methodogies can be found in the literature for this problem and some of these methodologies are often based on the Kalman filter. In this work a technique was selected based on the formulation of the Kalman filter that already had a study on the prediction of future pose of objects with linear motion. This methodology has been studied in detail, tested and analyzed through simulations for other motions and some applications. Three types of experiments were generated: one for different types of motions and two others applied in different types of signals in the velocity control systems. The results from the motion of the object shown that the technique is able to estimate the future pose of objects with linear motion and smooth curves, but it is inefficient for drastic changes in motion. With respect to the signal to be filtered in the velocity control, the methodogy has been shown applicable (with motions conditions) only in the estimation of pose of the object after the occurrence of dead-times caused by computer vision and this information is subsequently used to calculate the future error of the object related to the robotic manipulator used to calculate the velocity of the robot. The trying to apply the methodogy directly on the error used to calculate the velocity to be applied to the robot did not produce good results. With the results the methodogy can be applied for object tracking with linear motion and smooth curves as in the case of objects transported by conveyors in industrial environments. / Servovisao e uma tecnica que utiliza visao computacional para obter informacoes visuais (atraves de camera) e um sistema de controle com circuito em malha fechada para controlar robos. Uma das aplicacoes tipicas de servovisao e no rastreamento de objetos sobre esteiras transportadoras em ambientes industriais. Servovisao possui a vantagem em relacao a outros tipos de sensores de permitir a obtencao de um grande numero de informacoes a partir do ambiente e maior flexibilidade nas operacoes. Uma desvantagem sao os atrasos conhecidos como dead-times ou time-delays que podem ocorrer durante o tratamento de informacoes visuais nas tarefas de visao computacional ou em outras tarefas do sistema de controle que necessitam de grande capacidade de processamento. Os dead-times em servovisao aplicada em operacoes industriais como no rastreamento de objetos em esteiras transportadoras sao criticos e podem afetar negativamente na capacidade de producao em ambientes de manufatura. Algumas metodologias podem ser encontradas na literatura para esse tipo de problema sendo muitas vezes baseadas no filtro de Kalman. Nesse trabalho foi selecionada uma metodologia baseada na formulacao do filtro de Kalman que ja possui um estudo na previsao futura de pose de objetos com movimentacao linear. Essa metodologia foi estudada detalhadamente, testada atraves de simulacoes e analisada sobre outros tipos de movimentos e algumas aplicacoes. No total foram gerados tres tipos de experimentos: um para diferentes tipos de movimentacao e outros dois aplicados em diferentes tipos de sinais no controlador de velocidades. Os resultados a partir da movimentacao do objeto demonstraram que o metodo e capaz de estimar a pose futura de objetos com movimento linear e com curvas suaves, porem e ineficiente para alteracoes drasticas no movimento. Com relacao ao sinal a ser filtrado no controlador de velocidades a metodologia se demonstrou aplicavel (com as condicoes de movimento) somente na estimativa da pose do objeto apos a ocorrencia de dead-times causados por visao computacional e posteriormente essa informacao e utilizada para calcular o erro futuro do objeto em relacao ao manipulador robotico utilizado no calculo da velocidade do robo. A tentativa de aplicacao da tecnica diretamente no erro utilizado no calculo da velocidade a ser aplicada ao robo nao apresentou bons resultados. Com os resultados obtidos a metodologia se demonstrou eficiente para o rastreamento de objetos de forma linear e curvas suaves como no caso de objetos transportados por esteiras em ambientes industriais.