Made available in DSpace on 2014-06-12T15:59:31Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo5135_1.pdf: 1049051 bytes, checksum: e5be25e2aa87cb17b0788411f129a4a8 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2006 / Atualmente, sistemas embarcados são ubíquos. Em outras palavras, eles estão em todos os lugares. Desde utilitários domésticos (ex: fornos microondas, refrigeradores, videocassetes, máquinas de fax, máquinas de lavar roupa, alarmes) até equipamentos militares (ex: mísseis guiados, satélites espiões, sondas espaciais, aeronaves), nós podemos encontrar um sistema embarcado. Desnecessário afirmar que a vida humana tem se tornado mais e mais dependente desses sistemas. Alguns sistemas embarcados são classificados como sistemas de tempo real, onde o comportamento correto depende não somente da integridade dos resultados, mas também nos tempos em que tais resultados são produzidos. Em sistemas embarcados de tempo real críticos, se as restrições temporais não forem satisfeitas, as conseqüências podem ser desastrosas, incluindo grandes danos aos equipamentos ou mesmo perdas de vidas humanas. Devido a tarefas que possuem alta taxa de utilização de processador, alguns sistemas embarcados (ex: dispositivos médicos) precisam ser compostos de mais de um processador para obter performance aceitável e, no caso de sistemas embarcados de tempo real críticos, para satisfazer as restrições temporais críticas. Entretanto, questões adicionais precisam ser consideradas para lidar com um ambiente multiprocessado, tal como comunicação entre processadores e sincronização. Nessa dissertação, um método de síntese de software baseado no formalismo matemático redes de Petri com tempo é apresentado para lidar com sistemas embarcardos de tempo real críticos com múltiplos processadores. A abordagem inicia a partir de uma especificação (usualmente composta de tarefas concorrentes e comunicantes) e automaticamente gera o código fonte de um programa considerando: (i) as funcionalidades e restrições; e (ii) o suporte operacional para execução das tarefas em um ambiente multiprocessado. Síntese de software é uma alternativa para sistemas operacionais especializados para dar suporte a execução de um programa. Sistemas operacionais são usualmente genéricos e podem introduzir atrasos no tempo de execução, e ao mesmo tempo produzir alto consumo de memória. Por outro lado, a síntese de software é uma alternativa de projeto, dado que este método automaticamente gera o código fonte do programa, satisfazendo a funcionalidade, as restrições especificadas, o suporte para execução, e a minimização dos atrasos e uso de memória

[pt] Sistemas supervisores envolvendo software embarcados são encontrados com freqüência e são responsáveis pela supervisão de equipamentos que vão desde máquinas industriais e eletrodomésticos, a celulares e PDAs. Muitos possuem severos requisitos de confiabilidade e tolerância a falhas, bem como características de sistemas de tempo real. Esta pesquisa investiga o uso de tecnologias de ponta como Design by Contract, Agentes de Software, Mock Objects e Componentes de Software no auxílio ao desenvolvimento de sistemas de monitoramento e aquisição em tempo real. Explora-se, ainda, o conceito de sistemas orientados à recuperação. Para realizar tal análise é utilizado como estudo de caso um sistema de inspeção de dutos, que foi implementado utilizando tais tecnologias. De maneira resumida, pode-se dizer que neste estudo de caso percebeu-se que o uso dessas tecnologias fez com que o sistema fosse desenvolvido em um curto espaço de tempo, sendo que questões relevantes não foram prejudicadas, como por exemplo o fato do sistema ser robusto e tolerante a falhas. É importante ressaltar que o sistema apresentado se encontra em uso em inspeções de dutos reais. / [en] Supervisory systems allied to embedded software, a common subject in the literature, are responsible by the supervision of equipments like industrial machines, household-electric devices, cellular phones and PDAs. Many of them have severe requisites of fault tolerance and reliability as well as real time systems features. This research investigates the use of state-of-the-art technologies such as Design By Contract, Mock Objects, software agents and components in the development of real-time monitoring and data-acquisition systems. Recovery oriented systems concepts are also explored. The case study carried out to the research is a pipeline inspection software system, which uses such technologies. In a nutshell, it can be said that this case study showed strong evidence that the use of these technologies allowed the development in a very short time, without any loss of robustness, fault tolerance and reliability. The developed system is currently being used in real pipeline inspections.

Recentemente, um crescente número de institutos de pesquisa pelo mundo tem focado seus estudos em veículos aéreos não tripulados (VANT ou, em inglês, UAV - Unmanned Aerial Vehicle), que se revelam muito úteis tanto em aplicações militares quanto civis, pois suas principais vantagens são: a alta confiabilidade, baixo risco à vida, reduzido custo de implantação e manutenção. A pesquisa apresentada neste trabalho integra-se ao projeto BR-UAV em desenvolvimento na empresa Xmobots Sistemas Robóticos LTDA e no Laboratório de Veículos Não Tripulados (LVNT) da Escola Politécnica da USP. O projeto BR-UAV visa a contribuir para a inserção desta tecnologia no país e, para tanto, desenvolve atualmente a plataforma, aviônica e sistema de controle autônomo voltados ao objetivo de monitoramento no espectro visível e infravermelho. O principal requisito do projeto BR-UAV é o desenvolvimento de um sistema aéreo não tripulado capaz de voar dentro do espaço aéreo controlado. Esta pesquisa foca no desenvolvimento do software embarcado, assim este software deve ser desenvolvido de acordo com uma metodologia direcionada a homologação. Por isso, este trabalho propõe uma metodologia que foi baseada em cinco elementos: processo de desenvolvimento, normas, ferramentas de sistema operacional, ferramentas de aplicação e ferramentas matemáticas. Após o estabelecimento dos objetivos, de uma análise do estado da arte em sistemas aviônicos, e da metodologia de certificação, o processo de desenvolvimento foi inicializado. Na fase de engenharia de sistemas, os requisitos de sistema foram capturados. Então a arquitetura de sistema (hardware e software) foi modelada e analisada. A partir desta modelagem de sistema, os requisitos funcionais e temporais de software puderam ser capturados na etapa de análise da fase de engenharia de software. Na etapa de Implementação, o interior dos agentes foi codificado.Além disso, foi implementado o filtro de Kalman estendido para integrar informações de GPS, unidade de medição inercial e bússola. Na etapa de Testes, foram realizados testes de integração funcional e de desempenho computacional. Os resultados demonstraram que o sistema atendeu a todos os requisitos consumindo 38.3% de processamento. Finalmente, os próximos passos desta pesquisa são discutidos. / Recently, an increasing number of research institutes around the world has been focusing their efforts in the study of unmanned aerial vehicles (UAV), which have proved to be very useful both in military and civil applications because of their major advantages: high reliability, reduced risk to life, reduced maintenance and implantation costs. The research presented in this work is part of the BR-UAV project, which is in development at XMobots Sistemas Robóticos LTDA and at the Laboratório de Veículos Não Tripulados of USP (Brazil). This project aims to contribute for the insertion of this technology in Brazil. Particularly, at the present stage, the project includes the development of the platform, avionics and autonomous control system for environment monitoring via visible and infrared spectrums. The main requirement of BR-UAV Project is the development of an unmanned aerial system that could flight in controlled airspace. This research is focused on the development of embedded software, and therefore this software should be developed according to a certification methodology. For this purpose, this work proposes a methodology that was based into five guidelines: development process, norms, operating system tools, application tools and mathematical tools. The development process was started after the statement of objectives and the analysis of the state of art on UAV avionics. In the systems engineering phase, system requirements were captured and then the system architecture (hardware and software) was modeled and analyzed. From the system modeling, the functional and temporal software requirements could be captured in the analysis stage of the software engineering phase. In the Implementation stage, the agents were coded as well as the Extended Kalman Filter for integrating information from GPS, inertial measurement unit and Compass sensors. In the Tests stage, integration tests were performed.The results showed that the system could fulfill requirements using 38.3% of processing consumption. Finally, the next steps of this research are discussed.

Aplicações de sistemas computacionais emergentes atribuindo requisitos de resposta na forma de tempo de resposta requerem uma abordagem de sistemas de tempo real. Nesses sistemas, a qualidade de serviço é expressa como garantia das restrições temporais. Um amplo leque de técnicas para provisão de QoS encontram-se na literatura. Estas técnicas são baseadas tanto na diferenciação de serviço (QoS relativa), quanto na especificação de garantia de desempenho (QoS absoluta). Porém, a integração de QoS relativa e absoluta em nível de aplicação não tem sido tão explorada. Este trabalho realiza o estudo, a análise e a proposta de um método de escalonamento de tempo real em um ambiente simulado, baseado em contratos virtuais adaptativos e modelo re-alimentado. O objetivo é relaxar as restrições temporais dos usuários menos exigentes e priorizar usuários mais exigentes, sem degradar a qualidade do sistema como um todo. Para tanto, estratégias são exploradas em nível de escalonamento para o cumprimento dos contratos especificados por requisitos de tempo médio de resposta. Os resultados alcançados com o emprego do método proposto sinalizam uma melhoria em termos de qualidade de serviço relativa e absoluta e uma melhor satisfação dos usuários. Este trabalho também propõe uma extensão para os modelos convencionalmente estudados nesse contexto, ampliando a formulação original de duas classes para n classes de serviços / Emerging computer system application posing responsiveness requirement in the form of response time demand a real-time system approach. In these systems, the quality of service is expressed as guarantees on time constraints. A wide range of techniques for QoS provision is found in the literature. These techniques are based both on either service differentiation (relative QoS) or specification of performance guaranteeS (absolute QoS). However, integrated provision of both relative and absolute QoS at application level is not as well explored. This work conducts the study, analysis and proposal of a real time scheduling method in a simulated environment. This method is based on adaptive virtual contracts and feedback model. The goal is to relax the time constraints of less demanding users and prioritize the time constraints of most demanding users, without degrading the quality of the system as a whole. Strategies toward this goal are exploited in the system scheduling level and are aimed at the problem of fulfulling service-level agreements specifying average response times requirements. The results achieved with the proposed method indicate an improvement in relative and absolute QoS and a better user satisfaction. This work also proposes an extension to the conventional models studied in this context, extending the original formulation of two classes for n classes of services

Este trabalho apresenta um estudo sobre sistemas operacionais de tempo real (RTOS) utilizados na implementação da infraestrutura de controle digital para sistemas mecatrônicos, mas serve também como referência para outros sistemas que possuam restrições de tempo. Além de ter um caráter experimental, onde foram medidos e analisados dados como o pior tempo de resposta dos sistemas e a latência para tratamento de interrupções, este trabalho de pesquisa ainda contempla a implementação e uso de RTOS em situações práticas, bem como contempla a construção de uma plataforma geral de pesquisa que servirá de base para futuros trabalhos no laboratório de mecatrônica. Os sistemas analisados neste trabalho foram o VxWorks, QNX, Linux, RTAI, Windows XP, Windows CE e \'mü\'C/OS-II. Outro produto gerado durante este trabalho foi um Live CD para auxiliar na implementação e ensino de conceitos e sistemas de tempo real. / This work presents a study about real time operating systems (RTOS) that are utilized as infrastructure to create digital control systems for mechatronics systems, and also for systems that have critical time constraints. Parameters like worst case response time and interrupt latency were measured for each operating system. This research project also covers the implementation and use of RTOS in practical situations. A general research platform for robotics and real time research was also developed and will be used for future works in the Mechatronics Laboratory. The tested systems were VxWorks, QNX, Linux, RTAI, Windows XP, Windows CE and \'mü\'C/OS-II. Another product released during this work was a Live CD to aid the implementation and teaching of real time systems and concepts.

Este trabalho trata do estudo de concepções de arquitetura do controle aplicadas aos robôs móveis autônomos e da proposição de um delas à instrumentação e controle em tempo real de um modelo de embarcação naval de alto desempenho. Tal veículo remotamente operado foi desenvolvido como parte das atividades do projeto temático "Comportamento em Ondas de Embarcações de Alto Desempenho" (proc.Fapesp 1997/13090-3). Realizou-se uma investigação dos diversos paradigmas de inteligência artificial que orientaram a evolução dos robôs móveis autônomos até o presente momento e, em particular, as concepções baseadas em modelos sócio-antropológicos e computacionais (teoria de agentes e orientação a objetos) através de sua aplicação à implementação de um sistema de aquisição e controle orientado a objetos, modelado através da UML (Unified Modeling Language), para o veículo mencionado. Testes de validação da arquitetura do controle foram realizados, sendo obtidos resultados experimentais que permitiram análises a respeito da dinâmica, manobrabilidade e navegação do veículo, as quais sugerem vários aperfeiçoamentos para o sistema de hardware e software em trabalhos futuros. / This work deals with the study of control architecture approaches applied to autonomous mobile robots, and proposes one of them for the control system of a self-propelled high speed ship model. Such unmanned vehicle was developed for the research project “Comportamento em Ondas de Embarcações de Alto Desempenho” (proc. FAPESP 1997/13090-3). A number of artificial intelligence paradigms, related to the autonomous robot evolution up to now, were investigated. Models based on the socio-anthropological paradigm and the corresponding computer science approaches, i.e. agent theory and object-oriented modeling, were emphasized. Object-oriented control software based on the UML (Unified Modeling Language) was designed for the real-time embedded system of the ship model. Validation tests of the control architecture were carried out. Experimental results, related to vehicle dynamics, maneuverability and navigation were acquired by the embedded system and analyzed in this work. These results suggest a number of improvements for future works on the software and hardware systems.

Este trabalho trata do estudo de concepções de arquitetura do controle aplicadas aos robôs móveis autônomos e da proposição de um delas à instrumentação e controle em tempo real de um modelo de embarcação naval de alto desempenho. Tal veículo remotamente operado foi desenvolvido como parte das atividades do projeto temático "Comportamento em Ondas de Embarcações de Alto Desempenho" (proc.Fapesp 1997/13090-3). Realizou-se uma investigação dos diversos paradigmas de inteligência artificial que orientaram a evolução dos robôs móveis autônomos até o presente momento e, em particular, as concepções baseadas em modelos sócio-antropológicos e computacionais (teoria de agentes e orientação a objetos) através de sua aplicação à implementação de um sistema de aquisição e controle orientado a objetos, modelado através da UML (Unified Modeling Language), para o veículo mencionado. Testes de validação da arquitetura do controle foram realizados, sendo obtidos resultados experimentais que permitiram análises a respeito da dinâmica, manobrabilidade e navegação do veículo, as quais sugerem vários aperfeiçoamentos para o sistema de hardware e software em trabalhos futuros. / This work deals with the study of control architecture approaches applied to autonomous mobile robots, and proposes one of them for the control system of a self-propelled high speed ship model. Such unmanned vehicle was developed for the research project “Comportamento em Ondas de Embarcações de Alto Desempenho" (proc. FAPESP 1997/13090-3). A number of artificial intelligence paradigms, related to the autonomous robot evolution up to now, were investigated. Models based on the socio-anthropological paradigm and the corresponding computer science approaches, i.e. agent theory and object-oriented modeling, were emphasized. Object-oriented control software based on the UML (Unified Modeling Language) was designed for the real-time embedded system of the ship model. Validation tests of the control architecture were carried out. Experimental results, related to vehicle dynamics, maneuverability and navigation were acquired by the embedded system and analyzed in this work. These results suggest a number of improvements for future works on the software and hardware systems.

Dissertation submitted for obtain the degree of Doctor in Electrical and Computer Engineering, at the Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AlvaroMA_DISSERT.pdf: 1811875 bytes, checksum: d1a8b9710060f420383a8d715381bfb9 (MD5) Previous issue date: 2009-12-23 / Embedded systems are widely spread nowadays. An example is the Digital Signal Processor (DSP), which is a high processing power device. This work s contribution consist of exposing DSP implementation of the system logic for detecting leaks in real time. Among the various methods of leak detection available today this work uses a technique based on the pipe pressure analysis and usesWavelet Transform and Neural Networks. In this context, the DSP, in addition to do the pressure signal digital processing, also communicates to a Global Positioning System (GPS), which helps in situating the leak, and to a SCADA, sharing information. To ensure robustness and reliability in communication between DSP and SCADA the Modbus protocol is used. As it is a real time application, special attention is given to the response time of each of the tasks performed by the DSP. Tests and leak simulations were performed using the structure of Laboratory of Evaluation of Measurement in Oil (LAMP), at Federal University of Rio Grande do Norte (UFRN) / Os sistemas embarcados est?o amplamente difundidos atualmente. Um exemplo ? o Digital Signal Processor (DSP), que ? um dispositivo com alto poder de processamento. A contribui??o deste trabalho consiste na implementa??o em DSP da l?gica de um sistema de detec??o de vazamentos em tempo real. Dentre os v?rios m?todos de detec??o de vazamentos existentes atualmente este trabalho se desenvolve utilizando uma t?cnica baseada na an?lise da press?o no duto e que utiliza Transformada Wavelet e Redes Neurais. Nesse contexto o DSP, al?m de realizar o processamento digital do sinal de press?o, tamb?m comunica-se com um Global Positioning System (GPS), que auxilia na localiza??o do vazamento e com um sistema supervis?rio, disponibilizando informa??es para este. Para garantir robustez e confiabilidade na comunica??o entre DSP e sistema supervis?rio ? utilizado o protocolo Modbus. Como trata-se de uma aplica??o de tempo real, uma aten??o especial ? dada ao tempo de resposta de cada uma das tarefas realizadas pelo DSP. Os testes e simula??es de vazamentos foram realizados utilizando a estrutura do Laborat?rio de Avalia??o de Medi??o em Petr?leo (LAMP), da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)

Este trabalho apresenta um estudo sobre sistemas operacionais de tempo real (RTOS) utilizados na implementação da infraestrutura de controle digital para sistemas mecatrônicos, mas serve também como referência para outros sistemas que possuam restrições de tempo. Além de ter um caráter experimental, onde foram medidos e analisados dados como o pior tempo de resposta dos sistemas e a latência para tratamento de interrupções, este trabalho de pesquisa ainda contempla a implementação e uso de RTOS em situações práticas, bem como contempla a construção de uma plataforma geral de pesquisa que servirá de base para futuros trabalhos no laboratório de mecatrônica. Os sistemas analisados neste trabalho foram o VxWorks, QNX, Linux, RTAI, Windows XP, Windows CE e \'mü\'C/OS-II. Outro produto gerado durante este trabalho foi um Live CD para auxiliar na implementação e ensino de conceitos e sistemas de tempo real. / This work presents a study about real time operating systems (RTOS) that are utilized as infrastructure to create digital control systems for mechatronics systems, and also for systems that have critical time constraints. Parameters like worst case response time and interrupt latency were measured for each operating system. This research project also covers the implementation and use of RTOS in practical situations. A general research platform for robotics and real time research was also developed and will be used for future works in the Mechatronics Laboratory. The tested systems were VxWorks, QNX, Linux, RTAI, Windows XP, Windows CE and \'mü\'C/OS-II. Another product released during this work was a Live CD to aid the implementation and teaching of real time systems and concepts.