Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica (Opção de Automação). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Automação). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (perfil Sistemas), na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Dr. Fernando Manuel Ferreira Lobo Pereira

Tese de doutoramento. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998

A definição de abordagens de teste de software no contexto de sistemas embarcados críticos é de fundamental importância para a melhoria de qualidade desses sistemas. Este projeto de mestrado concentra-se essencialmente na área de robôs móveis que são sistemas críticos. O mapeamento das técnicas de teste dos programas tradicionais para sistemas robóticos móveis não é trivial, pois é necessário considerar as características inerentes a esses sistemas, as quais incluem comunicação, sincronização, não determinismo e paralelismo. Esses sistemas são formados por diferentes componentes, como sensores, atuadores e softwares de controle, os quais se comunicam, em geral, por meio de troca de mensagens. Nesse sentido, este projeto visa aproveitar a experiência adquirida pelo grupo de pesquisa do ICMC/USP com a proposição de critérios e ferramentas de teste para programas concorrentes, para o contexto de teste de integração de sistemas robóticos móveis. Assim, neste estudo é apresentado um comparativo sobre as similaridades e diferenças presentes em programas concorrentes e sistemas robóticos móveis com objetivo de auxiliar na adaptação dos critérios de teste. Dois estudos de caso foram conduzidos nos quais os critérios propostos para programas concorrentes foram aplicados a sistemas robóticos desenvolvidos em ROS. Como resultados, observou-se os critérios de teste são capazes de testar adequadamente aspectos de comunicação e sincronização de sistemas robóticos, contribuindo com a qualidade desses sistemas. / The definition of software testing approaches for the context of critical embedded systems is of fundamental importance for the quality improvement of these systems. This masters project focuses primarily in mobile robot area that are critical systems. The mapping of traditional testing techniques for robotic mobile systems is not trivial, because it is necessary to consider the characteristics of these systems, which include communication, synchronization, non-determinism and parallelism. These systems present different components such as sensors, actuators and control software, which communicate, usually by exchanging messages. In this sense, this project aims to use on the experience gained by the research group of the ICMC/USP with the of the concurrent program testing criteria for the integration testing of the mobile robotic systems. In this study we present a comparison of the similarities and differences present in concurrent programs and mobile robotic systems in order to assist in adapting the testing criteria. Two case studies were conducted in which the proposed concurrent program testing criteri were applied to robotic systems developed in ROS. As a result, there was the testing criteria are able to properly testing aspects of communication and synchronization of robotic systems, contributing to the quality of these systems.

Tese de mestrado. Engenharia Eletrotécnica e Computadores. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

A definição de abordagens de teste de software no contexto de sistemas embarcados críticos é de fundamental importância para a melhoria de qualidade desses sistemas. Este projeto de mestrado concentra-se essencialmente na área de robôs móveis que são sistemas críticos. O mapeamento das técnicas de teste dos programas tradicionais para sistemas robóticos móveis não é trivial, pois é necessário considerar as características inerentes a esses sistemas, as quais incluem comunicação, sincronização, não determinismo e paralelismo. Esses sistemas são formados por diferentes componentes, como sensores, atuadores e softwares de controle, os quais se comunicam, em geral, por meio de troca de mensagens. Nesse sentido, este projeto visa aproveitar a experiência adquirida pelo grupo de pesquisa do ICMC/USP com a proposição de critérios e ferramentas de teste para programas concorrentes, para o contexto de teste de integração de sistemas robóticos móveis. Assim, neste estudo é apresentado um comparativo sobre as similaridades e diferenças presentes em programas concorrentes e sistemas robóticos móveis com objetivo de auxiliar na adaptação dos critérios de teste. Dois estudos de caso foram conduzidos nos quais os critérios propostos para programas concorrentes foram aplicados a sistemas robóticos desenvolvidos em ROS. Como resultados, observou-se os critérios de teste são capazes de testar adequadamente aspectos de comunicação e sincronização de sistemas robóticos, contribuindo com a qualidade desses sistemas. / The definition of software testing approaches for the context of critical embedded systems is of fundamental importance for the quality improvement of these systems. This masters project focuses primarily in mobile robot area that are critical systems. The mapping of traditional testing techniques for robotic mobile systems is not trivial, because it is necessary to consider the characteristics of these systems, which include communication, synchronization, non-determinism and parallelism. These systems present different components such as sensors, actuators and control software, which communicate, usually by exchanging messages. In this sense, this project aims to use on the experience gained by the research group of the ICMC/USP with the of the concurrent program testing criteria for the integration testing of the mobile robotic systems. In this study we present a comparison of the similarities and differences present in concurrent programs and mobile robotic systems in order to assist in adapting the testing criteria. Two case studies were conducted in which the proposed concurrent program testing criteri were applied to robotic systems developed in ROS. As a result, there was the testing criteria are able to properly testing aspects of communication and synchronization of robotic systems, contributing to the quality of these systems.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, sob a orientação do Prof. Doutor J.A. Tenreiro Machado

Manipuladores robóticos têm ganhado cada vez mais importância em operações espaciais por poderem substituir humanos na realização de tarefas perigosas ou demasiadamente demoradas e repetitivas. Em destaque tem-se os manipuladores de base livre, por poderem ser acoplados a satélites ou estações espaciais e representarem um grande desafio para engenheiros de controle. Tais robôs possuem dois modos de operação: com base livre controlada e com base livre flutuante. No primeiro modo a base do manipulador tem atitude e translação controladas por jatos propulsores ou rodas de reação, de modo que o comportamento do robô se aproxima de um manipulador de base fixa. Porém, há um considerável consumo de combustível e energia elétrica, além de novos distúrbios que são inseridos no sistema. No segundo modo, considerado neste trabalho de mestrado, os controles da base são desligados durante a operação e ela pode mover-se livremente em resposta aos movimentos do braço. Embora tenha-se notável economia de combustível e energia elétrica, o acoplamento dinâmico entre base e braço deve ser considerado tanto na modelagem como no projeto do controlador. Para modelar o robô espacial considerado neste projeto foi aplicado o método do Manipulador Dinamicamente Equivalente, que mapeia um manipulador de base livre flutuante através de um robô sub-atuado de base fixa. Dessa forma é possível utilizar sobre robôs espaciais técnicas de controle já desenvolvidas para manipuladores terrestres. Este trabalho trata da análise de controladores robustos e adaptativo aplicados sobre um manipulador planar de base livre flutuante com dois braços para realizar a tarefa de seguimento de trajetórias definidas no espaço de tarefa. Os sistemas de controle considerados foram: Regulador Linear Quadrático Recursivo Robusto (RLQR), controlador H-infinito robusto e controlador adaptativo com modos deslizantes. Os resultados mostraram que os controladores apresentaram desempenhos distintos mas ainda assim foram capazes de realizar a tarefa de seguir trajetórias no espaço de trabalho com erros de acompanhamento bastante pequenos. Foi elaborada também uma comparação quantitativa através de índices de desempenho considerando integral de torques e norma L2 de erros de acompanhamento. / Robotic manipulators gained greater importance in space operations by being able to replace humans in dangerous or very long and repetitive tasks. Free-floating manipulators are highlighted, because they can be coupled to satellites or space stations and represent a great challenge to control engineers. These robots have two operation modes: controlled base and free-floating base. In the first mode, the base has its attitude and translation controlled by propulsion jets or reaction wheels, so that the robot behavior is similar to a fixed-base manipulator. However, there is considerable fuel and electrical energy consumption, besides additional disturbances inserted in the system. In the second mode, which is considered in this work, the base is not controlled during operation and is able to move freely in response to movements of the arm. Even though there is a remarkable fuel and electrical energy saving, the dynamic coupling between base and arm must be taken into account during modelling and controller design. To model the space manipulator considered in this work the Dynamically Equivalent Manipulator method was used, which maps a free-floating manipulator into a underactuated fixed-base manipulator. Thus, it is possible to apply known control techniques for terrestrial manipulators on free-floating ones. This work discusses robust and adaptive controllers applied on a planar dual-arm free-floating space manipulator in order to track trajectories defined in the workspace. The considered control systems are: Robust Recursive Linear Quadratic Regulator, Robust H-infinity and Adaptive Sliding Modes. Results showed that the controllers had distinct performances but were still able to perform trajectory tracking in workspace with very small tracking errors. A quantitative comparison was also elaborated with performance indexes considering integral of torques and L2 norm of tracking errors.

Manipuladores robóticos têm ganhado cada vez mais importância em operações espaciais por poderem substituir humanos na realização de tarefas perigosas ou demasiadamente demoradas e repetitivas. Em destaque tem-se os manipuladores de base livre, por poderem ser acoplados a satélites ou estações espaciais e representarem um grande desafio para engenheiros de controle. Tais robôs possuem dois modos de operação: com base livre controlada e com base livre flutuante. No primeiro modo a base do manipulador tem atitude e translação controladas por jatos propulsores ou rodas de reação, de modo que o comportamento do robô se aproxima de um manipulador de base fixa. Porém, há um considerável consumo de combustível e energia elétrica, além de novos distúrbios que são inseridos no sistema. No segundo modo, considerado neste trabalho de mestrado, os controles da base são desligados durante a operação e ela pode mover-se livremente em resposta aos movimentos do braço. Embora tenha-se notável economia de combustível e energia elétrica, o acoplamento dinâmico entre base e braço deve ser considerado tanto na modelagem como no projeto do controlador. Para modelar o robô espacial considerado neste projeto foi aplicado o método do Manipulador Dinamicamente Equivalente, que mapeia um manipulador de base livre flutuante através de um robô sub-atuado de base fixa. Dessa forma é possível utilizar sobre robôs espaciais técnicas de controle já desenvolvidas para manipuladores terrestres. Este trabalho trata da análise de controladores robustos e adaptativo aplicados sobre um manipulador planar de base livre flutuante com dois braços para realizar a tarefa de seguimento de trajetórias definidas no espaço de tarefa. Os sistemas de controle considerados foram: Regulador Linear Quadrático Recursivo Robusto (RLQR), controlador H-infinito robusto e controlador adaptativo com modos deslizantes. Os resultados mostraram que os controladores apresentaram desempenhos distintos mas ainda assim foram capazes de realizar a tarefa de seguir trajetórias no espaço de trabalho com erros de acompanhamento bastante pequenos. Foi elaborada também uma comparação quantitativa através de índices de desempenho considerando integral de torques e norma L2 de erros de acompanhamento. / Robotic manipulators gained greater importance in space operations by being able to replace humans in dangerous or very long and repetitive tasks. Free-floating manipulators are highlighted, because they can be coupled to satellites or space stations and represent a great challenge to control engineers. These robots have two operation modes: controlled base and free-floating base. In the first mode, the base has its attitude and translation controlled by propulsion jets or reaction wheels, so that the robot behavior is similar to a fixed-base manipulator. However, there is considerable fuel and electrical energy consumption, besides additional disturbances inserted in the system. In the second mode, which is considered in this work, the base is not controlled during operation and is able to move freely in response to movements of the arm. Even though there is a remarkable fuel and electrical energy saving, the dynamic coupling between base and arm must be taken into account during modelling and controller design. To model the space manipulator considered in this work the Dynamically Equivalent Manipulator method was used, which maps a free-floating manipulator into a underactuated fixed-base manipulator. Thus, it is possible to apply known control techniques for terrestrial manipulators on free-floating ones. This work discusses robust and adaptive controllers applied on a planar dual-arm free-floating space manipulator in order to track trajectories defined in the workspace. The considered control systems are: Robust Recursive Linear Quadratic Regulator, Robust H-infinity and Adaptive Sliding Modes. Results showed that the controllers had distinct performances but were still able to perform trajectory tracking in workspace with very small tracking errors. A quantitative comparison was also elaborated with performance indexes considering integral of torques and L2 norm of tracking errors.