Sistemas eletrônicos embarcados de satélites sofrem grandes cargas de radiações ionizantes, afetando diretamente o silício, criando alta probabilidade de falhas no sistema, advindos de panes transientes e permanentes nos circuitos integrados. Devido ao ambiente hostil em que operam sistemas embarcados espaciais, soluções de robustez são necessárias para o aumento da tolerância a falhas. Neste cenário, a detecção de falhas ajuda o sistema a tomar atitudes de emergência para que a operação não seja prejudicada por completo, nestes casos, consideradas catastróficas, devido o elevado custo associado ao desenvolvimento e produto. Este trabalho tem a finalidade propor uma técnica para sistemas embarcados de tempo real, que possa ser capaz de detectar falhas no nível de tarefas, especificamente com a utilização do Kernel de Tempo Real para Sistemas Multiprocessadores - RTEMS. A técnica proposta foi baseada no projeto de satélite universitário ITASAT, que propõe na arquitetura de hardware um processador operacional em conjunto com um redundante a frio (cold standby). Esses processadores são supervisionados por um arbitrador, ou seja, um terceiro processador que em caso de falha do processador nominal, deve tomar a decisão de entrar em modo emergencial ou acionar o processador redundante. Sistemas Embarcados de Tempo Real utilizam-se de algoritmos de escalonamento que definem a próxima tarefa a ser executada. Essas tarefas podem possuir deadlines rígidos ou moderados. Falhas em tarefas com períodos rígidos ocasionam a perda do sistema por completo. O kernel de tempo real RTEMS é dotado de uma estrutura de dados que possui os dados mínimos das tarefas, para que possam ser executadas e escalonadas corretamente. Estes dados podem ser externalizados por hardware através de portas de E/S na ocasião do chaveamento de contexto, que ocorre em toda troca de tarefa na CPU (troca de contexto). Propõe-se nesse trabalho a captação desses dados para efetuar análises de detecção de falhas, através do comportamento das tarefas que estão sendo executadas no sistema em tempo real.

Neste trabalho, foi arqui teturais destinadas a proposto um conjunto de regras implementaçao de aplicações tempo real em sistemas distribuldos.De modo distribuldas, a permitir a realização de forall desenvolvidas varias tais aplicaçoes ferramentas de "software", tais como um subsistema de troca de mensagens e um nucleo distribuido. Os conceitos e ferramentas apresentados nesta tese foram aplicados com sucesso no desenvolvimento de um sistema de ensaio de ciclagem termica de satelites e seus subsistemas.

Os métodos tradicionais de validação de requisitos de desempenho de software, baseados em testes do código, permitem a detecção de problemas somente nas fases finais do ciclo de desenvolvimento de software. Mudanças no software nas fases finais do desenvolvimento são em geral mais custosas e demoradas para serem efetivadas do que aquelas identificadas em fases preliminares. As técnicas de desenvolvimento de software orientadas a modelos permitem verificar requisitos de desempenho durante todo o ciclo de vida do software. Este trabalho propõe um framework de simulação para verificação de requisitos de desempenho de sistemas computacionais de tempo real, baseado em técnicas de desenvolvimento de software orientadas a modelos. O modelo de software é representado por diagramas de instalação e de estados UML (Unified Modeling Language) anotados com informações de desempenho de acordo com o padrão UML Profile for MARTE (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems). O framework gera automaticamente o modelo de desempenho baseado em Diagrama de Ciclo de Atividades (Activity Cycle Diagram - ACD) a partir do modelo de software UML. ACD é uma representação gráfica simples, que permite a modelagem de sistemas para simulação discreta. O modelo de análise de desempenho é simulado e os resultados da análise dos experimentos de simulação são usados para indicar possíveis melhorias no modelo do software, caso os requisitos de desempenho não sejam atendidos. A análise de desempenho e a realimentação do modelo de software são baseadas na identificação de antipadrões de desempenho no modelo ACD. Os antipadrões de desempenho descrevem erros comuns na arquitetura do software, que podem provocar problemas de desempenho, assim como suas soluções. Finalmente, para validação do framework dois estudos de caso de sistemas computacionais de tempo real são apresentados.

Computadores fazem parte da vida de praticamente todo indivíduo nos tempos atuais. Os primeiros foram desenvolvidos objetivando-se propósitos mais genéricos. Houve considerável avanço nesta área. Computadores tiveram seu tamanho e preço reduzidos. Por outro lado, complexidade e propósitos aumentaram. Computadores genéricos ainda existem, mas estes compartilham o mercado com os chamados "embarcados". Em ambos os casos, o aumento da complexidade envolve maior severidade no caso de falhas. Assim, torna-se razoável assumir que falhas podem ocorrer. De fato, não existe sistema livre de falhas. Diante de tal constatação, sistemas computadorizados devem continuar operando o mais perto possível do normal, mesmo na presença de falhas. Dentro deste contexto, este trabalho tem por objetivo o aumento de tolerância a falhas numa classe de sistema denominada sistemas críticos de tempo-real. Uma falha neste tipo de aplicação pode ser inaceitável, uma vez que quase sempre vidas humanas encontram-se envolvidas. Esta pesquisa mostra o aumento da resiliência a falhas pela composição e aplicação de redundância espacial e temporal (multiprocessamento e escalonamento) com migração de tarefas entre processadores no projeto de sistemas críticos de tempo-real. Tais sistemas, mais especificamente, os sistemas aviônicos são considerados como alvo de aplicabilidade. Visando atingir o objetivo proposto, um modelo computacional e conceitual é apresentado para cobrir os aspectos de tolerância a falhas (segurança) e mecanismos de escalonamento (temporalidade). Realiza-se a análise de escalonabilidade em tempo de projeto considerando prioridades fixas. O modelo assume que poderá existir preempção no processamento das tarefas, o sistema baseia-se em multiprocessamento simétrico, as tarefas são escalonadas por algoritmos considerando prioridade fixa e que pode ou não haver restrições de precedência entre as tarefas. O modelo proposto consiste de uma análise de escalonabiliade e de três diferentes algoritmos: (1) Fixed-Priority based Scheduling Algorithm - FPSA; (2) Symmetric Multiprocessor based Dispatcher Algorithm - SMP-DA; e (3) Fault Tolerance Algorithm - FTA. FPSA considera todas as tarefas prontas do sistema, visando produzir um escalonamento viável, arranjando-as numa fila. Neste tipo de sistema, não se pode rejeitar nenhuma tarefa. Para isso, a análise de escalonabilidade é conduzida, a priori, visando remover todas possíveis falhas temporais. SMP-DA avalia qual processador possui capacidade para receber as tarefas da fila onde o fator de carga dos processadores é levado em conta. Por fim, FTA monitora as tarefas em execução e através de um mecanismo original do modelo chamado notification time control, falhas podem ser identificadas e tratadas. Portanto, a principal contribuição deste trabalho de pesquisa considera tanto redundância espacial quanto temporal, visando aumentar a resiliência a falhas com migração de tarefas entre processadores em sistemas críticos de tempo-real.

A utilização de processadores modernos no segmento espacial possibilitou o aumento de desempenho dos sistemas embarcados críticos, tornando a operação através de um Sistema Operacional de Tempo Real - SOTR inevitável. Entretanto, os efeitos que as características do núcleo do SOTR tem na aplicação devem ser considerados. Assim, o principal requisito de uma aplicação espacial baseada em um SOTR, segundo a norma "ECSS-E-ST-40C: Software", é a verificação se o comportamento de tempo real é previsível. Atualmente, estão disponíveis abordagens baseadas em software para a verificação temporal, tais como a utilização de modelos analíticos e simulação, conjuntos dedicados ao teste de temporização, benchmarks e análise estática de código. Uma vez que não há padronização acerca das metodologias, essas abordagens podem resultar na superestimação temporal e de recursos. Nesse contexto, a utilização de ferramentas de hardware externas para medir o desempenho das características do núcleo de um SOTR são de suma importância nas aplicações espaciais. O presente trabalho propõe o Ambiente de análise de Desempenho de Tempo Real - ADTR para a medição de overheads e verificação temporal das características do núcleo de um SOTR. A abordagem é baseada em uma ferramenta de hardware minimamente intrusiva projetada utilizando uma Field Programmable Gate Array - FPGA. Os experimentos foram conduzidos com a nova ferramenta em um estudo de caso de aplicação em computadores de bordo para satélites, baseado no processador ERC32 e o SOTR Real-Time Executive for Multiprocessor Systems - RTEMS. São apresentados dois modelos de teste, considerados aqui como duas características do núcleo do RTEMS: chaveamento de contexto com preempção e latência de interrupção externa com preempção. Os resultados mostram a eficiência da nova ferramenta para medição das duas características. É possível utilizar o novo ambiente para complementar outros métodos de verificação temporal para o atendimento da norma.

Este trabalho trata da avaliação experimental de um controlador preditivo robusto projetado via desigualdades matriciais lineares para um sistema de dinâmica rápida largamente utilizado na literatura. Tal sistema consiste de dois carros conectados entre si através de uma mola, com apenas um atuador. Em particular, é considerado um problema de descasamento de modelo, relacionado com alterações na constante elástica da mola, que pudessem decorrer de uma falha. O objetivo do controle é conduzir o sistema para uma posição desejada, respeitando restrições impostas sobre tensão de entrada e compressão da mola. De modo a levar em conta o tempo computacional necessário para o cálculo do controle, foi incluído no modelo da planta um atraso de um período de amostragem, considerando que o controle calculado seja armazenado para aplicação no próximo instante de amostragem. Resultados obtidos por meio de simulação e ensaio em bancada comprovaram que tal providência é importante para evitar instabilidade da malha de controle. Tendo-se tratado o problema do atraso computacional, verificou-se que o controlador preditivo robusto foi capaz de conduzir o sistema para próximo da posição de referência (com erro em regime devido à presença de atrito seco), respeitando as restrições de entrada e saída, mesmo na presença de incerteza sobre a constante de mola.

O uso de radares de imageamento, como o radar de abertura sintética (SAR, do inglês: Synthetic Aperture Radar), tem sido cada vez mais comum. Eles podem ser encontrados em sistemas de alto custo como plataformas orbitais ou até em veículos aéreos não tripulados. A demanda crescente na obtenção de informações para tomada de decisões em curto espaço de tempo e avaliação da imagem em tempo real remete ao desafio do processamento de imagens SAR em tempo real. Diversas plataformas de hardware podem ser empregadas para o processamento de imagens SAR em tempo real - processadores de sinais digitais, unidade de processamento gráfico ou hardwares programáveis. Neste trabalho, propõe-se o uso de um computador de propósito geral para realizar a tarefa de processar e exibir a imagem SAR focalizada em tempo suficiente de modo que não haja acúmulo de dados sem processamento. Os testes realizados apresentam promissores resultados para o emprego desta plataforma de baixo custo em operações com aeronaves.

Este trabalho apresenta os resultados obtidos para a implementação de um rastreador linear quadrático com restrições aplicado a um sistema de dinâmica rápida amplamente utilizado na literatura por meio de simulações e é consolidado experimentalmente por meio de ensaios em bancada. Este controlador foi recentemente proposto e tem como principais vantagens o baixo custo computacional, permitindo levar em conta restrições de entrada e estado da planta. O sistema consiste de dois carros conectados entre si por meio de uma mola, com apenas um atuador. O objetivo do controlador é conduzir o sistema até um valor de referência desejado e pré-estabelecido, respeitando restrições impostas nas variáveis de estado e controle. Uma restrição adicional foi estabelecida sobre a compressão da mola. De modo a respeitar o cumprimento das restrições e garantir estabilidade nominal ao sistema, impôs-se que os vetores com variáveis de estado, controle e perturbação devam permanecer dentro de um conjunto invariante onde as restrições de operação sejam satisfeitas. Dada a necessidade da medida dos valores dos estados e da perturbação, foi implementado um observador. Resultados obtidos por meio de simulação e ensaio em bancada comprovaram o funcionamento do controlador proposto, permitindo que o sistema tivesse o comportamento desejado mesmo na presença de perturbações gravitacionais inseridas que poderiam provocar um possível descasamento do modelo. Foi verificado o cumprimento das restrições impostas e um erro em regime permanente nulo, mesmo na presença de atrito seco não considerado.

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta para a identificação do modelo aerodinâmico de uma aeronave em tempo real, com vistas à melhoria da eficiência de campanhas de ensaios em voo relacionadas à aquisição de dados para levantamento e validação de modelos. A ferramenta apresentada neste trabalho, denominada RealSysId, baseia-se no método de mínimos quadrados ortogonais recursivo e foi desenvolvida em ambiente MATLAB 7.8.0 R2009. O método aplicado torna-se vantajoso, pois possibilita avaliar não somente as estimativas dos parâmetros, mas também a estrutura do modelo aerodinâmico em tempo real. Essa característica permite a avaliação de resultados de modo imediato e, assim, a tomada de decisão e a coordenação para repetição de manobras podem ser realizadas em tempo real, aumentando a eficiência da campanha de ensaios em voo. Neste trabalho, uma descrição da ferramenta é apresentada e três estudos de caso são discutidos. O primeiro deles apresenta a validação do algoritmo e apresenta uma comparação dos resultados obtidos pelo método dos mínimos quadrados ortogonais clássico e recursivo. O segundo exemplo discute a aplicabilidade e importância do fator de esquecimento no processo de identificação em tempo real quando da avaliação de sistemas variantes no tempo. Por fim, o terceiro estudo de caso apresenta uma análise da carga computacional demandada pela ferramenta para a seleção do modelo aerodinâmico de forma recursiva em função da quantidade de regressores candidatos utilizados pelo usuário.

A presente pesquisa realizou o estudo da confiabilidade aplicado à otimização da operação em tempo real de sistemas de abastecimento de água (SAA). Almeja-se que a otimização da operação em tempo real empregue técnicas que a tornem robusta, ou seja, que considerem as incertezas inerentes a um SAA real. Para tanto, é necessário associar ao modelo de otimização um previsor de demanda e um simulador hidráulico. O previsor produzirá estimativas de demandas futuras para o horizonte desejado, o qual alimentará o simulador, a fim de que sejam determinadas as estratégias operacionais otimizadas para atendimento das demandas previstas. Implementou-se o método de otimização AMALGAM (\"A Multialgorithm Genetically Adaptive Method\"), juntamente com as demais rotinas computacionais necessárias para integrar o simulador hidráulico (EPANET 2) e o previsor de demanda baseado na Rede Neural Dinâmica (DAN2). O modelo desenvolvido foi aplicado nos setores de abastecimento Eliana, Iguatemi e Martinez, os quais são operados pelo Departamento Autônomo de Água e Esgotos (DAAE) da cidade de Araraquara, SP. Os modelos das redes de água foram calibrados por meio de dados de vazão e carga de pressão coletados em campanhas de campo. As estratégias operacionais resultantes foram comparadas as operações praticadas pelo DAAE, resultando em reduções no custo do consumo de energia de 14%, 13% e 30% para os setores Eliana, Iguatemi e Martinez, respectivamente. / This research project proposes the study of reliability applied to real time optimization of operation of water supply network (WSN). It is desired to obtain robust real time optimization of operation through the use of adequate techniques which accounts the inherent uncertainty of a real WSN. To accomplish the task it is necessary to associate to the optimization model a demand forecaster and a hydraulic simulator. The forecaster will produce the future demand for the planning horizon to serve as input for the simulator, so it is possible to obtain the optimized operation to meet the predicted demand. It was implemented the AMALGAM (\"A Multialgorithm Genetically Adaptive Method\") to serve as optimization model as well as the necessary computational routine to link the EPANET hydraulic simulator as well as the demand forecaster based on DAN2. The developed model was applied to the sectors Eliana, Iguatemi and Martinez, which are part of the water system operated by the Autonomous Department of Water and Sewer (DAAE) of Araraquara, SP. The water network model was calibrated using data collected on field campaign to gather pressure and flow data. The optimized operation was compared to the operation from DAAE, resulting in reduction of energy consumption cost of 14%, 13% and 30% respectively for the sectors Eliana, Iguatemi and Martinez.