[pt] O uso de robôs móveis para monitorar locais inacessíveis vem se tornando cada vez mais comum. Essas operações podem ser autônomas ou tripuladas e quando são feitas em terrenos irregulares é preciso garantir segurança na missão, pois muitas das vezes o resgate se torna inviável. O robô estudado nesta dissertação terá dificuldades para locomoção em certas localidades, como por exemplo: derrapagem em regiões alagadas, vencer atoleiro em regiões pantanosas e de brejos e capotagem nas regiões que apresentam aclives e declives. Diante deste quadro de problemas apresentados, garantir a estabilidade nas regiões de ladeiras é de grande valor nas operações, sejam elas tele-operadas ou autônomas. Visando contribuir para o sucesso da locomoção do robô, esta dissertação apresenta uma técnica de controle de estabilidade de um robô móvel para sensoreamento remoto em terrenos irregulares, incluindo projeto, simulação e construção de um protótipo funcional. Este controle visa garantir que as rodas do veículo não descolem do terreno, através da atuação nas forças de atrito entre as rodas e o solo variando os torques nos seus motores. / [en] The use of mobile robots to monitor non-accessible environments has become increasingly common in the recent years. These tasks can be either autonomous, remote-controlled, or passenger-operated. When performed in rough terrain, it is necessary to guarantee mission safety, since many times it is impossible to send a rescue party for recovery. The hybrid environmental robot presented in this thesis is a mobile robot that will face very challenging conditions, avoiding e.g. slippage in wet terrain, becoming trapped in muddy soil, and tipping over in regions with high slopes. Therefore, it is a challenging task to guarantee robot stability under such circumstances, either in autonomous or operated tasks. This thesis presents a stability control methodology for a mobile robot to perform remote sensing tasks in rough terrain. The model-based technique guarantees wheel-ground contact at all times, acting individually at the wheel motors to control the traction/friction forces. This work also addresses the design, simulation and construction aspects of a functional prototype of a mobile robot to validate the proposed approach.

Características de dirigibilidade de um veículo automotivo foram estudadas com o auxílio de uma ferramenta computacional para simulação de sistemas multicorpos integrado a um controle de estabilidade direcional virtual. O modelo do veículo simplificado utilizado, de três graus de liberdade, proporciona o cálculo em tempo real das grandezas utilizadas para o controle de atitude de veículos, como velocidade em guinada e ângulo de deriva. Por isso, sua utilização como modelo de referência. O controle desenvolvido se mostrou bastante confiável e suficientemente simples. Os resultados mostraram boa aproximação através de uma avaliação subjetiva do comportamento do veículo. Finalmente, pode ser observado que o uso de ferramentas com uma interface amigável com o usuário proporcionam tempos de desenvolvimento mais curtos e estudos paramétricos mais fáceis, possibilitando ao projetista alcançar as características desejadas do veículo com custos muito menores / Handling characteristics of an automotive vehicle were studied with the aid of a computational tool for mutibody system simulation integrated to a virtual directional stability control. The simplified vehicle model used, a three degrees of freedom model, makes possible the real time calculus of the parameters used in the yaw active control systems, like yaw rate and vehicle sideslip angle. Due to that, the use of it as a reference model. The developed control strategy is enough credible and sufficiently simple. Results showed good agreement through the subjective vehicle evaluation. Finally, it can be observed that the use of a tool with a user friendly interface makes development times shorter and parametric studies easier, enabling the designer to achieve the desired vehicle characteristics control much less costly

Durante as últimas décadas, têm sido realizados vários estudos sobre a aplicação de veículos suspensos como em teleféricos, bondinhos, linhas de transporte e/ou montagem em indústrias, e robôs para finalidades diversas. Como veículos suspensos possuem comportamento de pêndulo, estão suscetíveis as ações de forças externas que geram oscilações e balanços indesejados no veículo que podem comprometer sua função e segurança. Um levantamento bibliográfico mostrou a deficiência de estudos de sistemas que mantenham a estabilidade física de veículos suspensos. Usando conceitos de conservação de energia e quantidade de movimento foi concebida a ideia de desmembrar o corpo do veículo suspenso em duas partes, uma massa fixa e uma massa móvel de atuação e estabilização da estrutura do veículo; dessa forma fazendo uso apenas de componentes internos ao veículo, uma vez que em sistemas suspensos é grande a dificuldade de aplicação de forças externas para correção de posicionamento. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema ativo de autoestabilização para veículos suspensos capaz de amenizar os efeitos de forças externas que possam comprometer a atividade desempenhada pelo veículo. Para a autoestabilização foi montado um sistema de controle em malha fechada com sensor de detecção de inclinação (posição) e atuador com motor de corrente contínua para deslocar uma massa móvel dentro do robô suspenso, acionados por um microcontrolador embarcado. A eficiência do sistema foi comprovada com a montagem de um protótipo, onde uma programação baseada em controle proporcional e derivativo foi suficiente para garantir uma eficiente e rápida estabilização no robô quando sujeito a forças externas como atuação de ventos, por exemplo. / During the last decades, many researches and studies have been done about suspended vehicles such as chair lifts, cable cars, carrying and assemblies of parts in the industry, etc. Suspended vehicles behave like a pendulum and they are susceptible to the action of external forces which cause oscillations and unwanted swing at the vehicle that may affect function and security of the vehicle. For several applications it is important to keep the physical stability of suspended vehicles (or part of them), such as in autonomous robots for inspection. In suspended systems it is very difficult to apply external forces to correct its position due the swing; so, it is proposed a new stabilizing system for suspended vehicles based on the conservation of energy and quantity of motion. Using only internal components of the suspended vehicle, the mass of the system was separated in two parts: an active mobile part that stabilizes a fixed part such as the structure of the vehicle. In this work, it is described an active system for swing control on suspended vehicles, able to soften the effects of external forces that can dangerously damage the performance of the vehicle. An autonomous off-board microcontroller with feed-back program was assembled to stabilize the structure of the vehicle by using an inclination sensor attached to it. A DC motor is used to move the mobile part of the suspended vehicle to correct the equilibrium of the vehicles structure. The microcontroller program based on proportional-derivative control system was implemented and tests were performed on a prototype vehicle. A good performance of the system was obtained with an efficient and fast stabilization of the prototype structure under the action of external forces, such as wind forces.

This research presents an investigation to actively improve the rollover stability of articulated heavy vehicles (AHVs) during high speed manoeuvres using anti-roll control systems. A 3-dimensional (3-D) linear yaw/roll model with 5 degrees of freedom is developed. Based on this model a linear quadratic regulator (LQR) controller is designed to improve the rollover stability of a tractor/semi-trailer combination. A design optimization method for AHVs using genetic algorithms (GAs) and multibody vehicle system models is also presented. AHVs have poor manoeuvrability when travelling at low speeds on local roads and city streets. On the other hand, these vehicles exhibit unstable motion modes at high speeds, including jack-knifing, trailer sway and rollover. From the design point of view, the low-speed manoeuvrability and high-speed stability have conflicting requirements on some design variables. The design method based on a GA and a multibody vehicle dynamic package, TruckSim, is proposed to coordinate this trade-off relationship. To test the effectiveness of the design method, a tractor/semi-trailer combination is optimized using the proposed method. It is demonstrated that the proposed design method can be used for identifying desired design variables and predict performance envelopes in the early design stages of AHVs. / UOIT

Interest in high speed rotorcraft has directed attention toward the slowed-rotor, high advance ratio compound autogyro concept. The behavior of partially unloaded rotors, autorotating at high advance ratio is not well understood and numerous technical issues must be resolved before the vehicle can be realized. The necessity for a reduction in rotor speed with increasing flight speed results in high advance ratio operation. Further, rotor speed changes also affect the rotor dynamics and the associated hub moments generated by cyclic flapping. The result is rotor characteristics that vary widely depending on advance ratio. In the present work, rotor behavior is characterized in terms of issues relevant to the control system conceptual design and the rotor impact on the intrinsic vehicle flight dynamics characteristics. In this research, non-linear models, including the rotor speed degree of freedom, were created and analyzed with FLIGHTLABTM rotorcraft modeling software. Performance analysis for rotors trimmed to autorotate with zero average hub pitching and rolling moments indicates reduced rotor thrust is achieved primarily through rotor speed reduction at lower shaft incidence angle, and imposing hub moment trim constraints results in a thrust increment sign reversal with collective pitch angle above advance ratio . Swashplate control perturbations from trim indicate an increase in control sensitivities with advance ratio, and advance ratio dependent control cross coupling. Rotor speed response to swashplate control perturbations from trim results in non-linear behavior that is advance ratio dependent, and which stems from cyclic flapping behavior at high advance ratio. Rotor control strategies were developed including the use of variable shaft incidence to achieve rotor speed control with hub moment suppression achieved through cyclic control. Flight dynamics characteristics resulting from the coupling of the rotor and airframe were predicted in flight using a baseline airframe with conventional fixed-wing controls. Results predicted by linearization of the non-linear models were compared with system identification results using the non-linear simulation as surrogate flight test data. Low frequency rotor response is shown to couple with the vehicle motion for short period and roll mode response to airframe control inputs. The rotor speed mode is shown to couple with short period and long period vehicle modes as the rotor torque balance is sensitive to vehicle speed and attitude changes.

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η προσπάθεια βελτιώσης της δυναμικής συμπεριφοράς του πλοίου όσον αφορά τη ευστάθειά του και την σταθεροποίησή του. Αρχικά περιγράφεται το φυσικό σύστημα του πλοίου και μοντελοποιείται μαθηματικά. Έπειτα εφαρμόζονται διαφορετικές τεχνικές ελέγχου και συγκρίνονται με σκοπό την εύρεση της καταλληλότερης. Τέλος σχεδιάζεται ο παρατηρητής του συστήματος. / This thesis aims to progress the dynamic behavior of a ship as far as the stability and its stabilization. At first, the natural system of the ship is described and the mathematical model is derived. Then, the system is simulated and different control methods were applied and compared. Finally, the observer of the system is designed.

Características de dirigibilidade de um veículo automotivo foram estudadas com o auxílio de uma ferramenta computacional para simulação de sistemas multicorpos integrado a um controle de estabilidade direcional virtual. O modelo do veículo simplificado utilizado, de três graus de liberdade, proporciona o cálculo em tempo real das grandezas utilizadas para o controle de atitude de veículos, como velocidade em guinada e ângulo de deriva. Por isso, sua utilização como modelo de referência. O controle desenvolvido se mostrou bastante confiável e suficientemente simples. Os resultados mostraram boa aproximação através de uma avaliação subjetiva do comportamento do veículo. Finalmente, pode ser observado que o uso de ferramentas com uma interface amigável com o usuário proporcionam tempos de desenvolvimento mais curtos e estudos paramétricos mais fáceis, possibilitando ao projetista alcançar as características desejadas do veículo com custos muito menores / Handling characteristics of an automotive vehicle were studied with the aid of a computational tool for mutibody system simulation integrated to a virtual directional stability control. The simplified vehicle model used, a three degrees of freedom model, makes possible the real time calculus of the parameters used in the yaw active control systems, like yaw rate and vehicle sideslip angle. Due to that, the use of it as a reference model. The developed control strategy is enough credible and sufficiently simple. Results showed good agreement through the subjective vehicle evaluation. Finally, it can be observed that the use of a tool with a user friendly interface makes development times shorter and parametric studies easier, enabling the designer to achieve the desired vehicle characteristics control much less costly

Durante as últimas décadas, têm sido realizados vários estudos sobre a aplicação de veículos suspensos como em teleféricos, bondinhos, linhas de transporte e/ou montagem em indústrias, e robôs para finalidades diversas. Como veículos suspensos possuem comportamento de pêndulo, estão suscetíveis as ações de forças externas que geram oscilações e balanços indesejados no veículo que podem comprometer sua função e segurança. Um levantamento bibliográfico mostrou a deficiência de estudos de sistemas que mantenham a estabilidade física de veículos suspensos. Usando conceitos de conservação de energia e quantidade de movimento foi concebida a ideia de desmembrar o corpo do veículo suspenso em duas partes, uma massa fixa e uma massa móvel de atuação e estabilização da estrutura do veículo; dessa forma fazendo uso apenas de componentes internos ao veículo, uma vez que em sistemas suspensos é grande a dificuldade de aplicação de forças externas para correção de posicionamento. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema ativo de autoestabilização para veículos suspensos capaz de amenizar os efeitos de forças externas que possam comprometer a atividade desempenhada pelo veículo. Para a autoestabilização foi montado um sistema de controle em malha fechada com sensor de detecção de inclinação (posição) e atuador com motor de corrente contínua para deslocar uma massa móvel dentro do robô suspenso, acionados por um microcontrolador embarcado. A eficiência do sistema foi comprovada com a montagem de um protótipo, onde uma programação baseada em controle proporcional e derivativo foi suficiente para garantir uma eficiente e rápida estabilização no robô quando sujeito a forças externas como atuação de ventos, por exemplo. / During the last decades, many researches and studies have been done about suspended vehicles such as chair lifts, cable cars, carrying and assemblies of parts in the industry, etc. Suspended vehicles behave like a pendulum and they are susceptible to the action of external forces which cause oscillations and unwanted swing at the vehicle that may affect function and security of the vehicle. For several applications it is important to keep the physical stability of suspended vehicles (or part of them), such as in autonomous robots for inspection. In suspended systems it is very difficult to apply external forces to correct its position due the swing; so, it is proposed a new stabilizing system for suspended vehicles based on the conservation of energy and quantity of motion. Using only internal components of the suspended vehicle, the mass of the system was separated in two parts: an active mobile part that stabilizes a fixed part such as the structure of the vehicle. In this work, it is described an active system for swing control on suspended vehicles, able to soften the effects of external forces that can dangerously damage the performance of the vehicle. An autonomous off-board microcontroller with feed-back program was assembled to stabilize the structure of the vehicle by using an inclination sensor attached to it. A DC motor is used to move the mobile part of the suspended vehicle to correct the equilibrium of the vehicles structure. The microcontroller program based on proportional-derivative control system was implemented and tests were performed on a prototype vehicle. A good performance of the system was obtained with an efficient and fast stabilization of the prototype structure under the action of external forces, such as wind forces.

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