Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Relações Internacionais, Programa de Pós-Graduação em Relações Internacionais, 2015. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2016-01-22T14:52:59Z No. of bitstreams: 1 2015_HugoFreitasPeres.pdf: 1172084 bytes, checksum: 613f9f51b94a9419430e85684bfc0468 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-03-28T21:21:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_HugoFreitasPeres.pdf: 1172084 bytes, checksum: 613f9f51b94a9419430e85684bfc0468 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-28T21:21:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_HugoFreitasPeres.pdf: 1172084 bytes, checksum: 613f9f51b94a9419430e85684bfc0468 (MD5) / Neste trabalho, visa-se a avaliar as implicações da tecnologia de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) para a segurança internacional. O desenvolvimento e o emprego desses equipamentos em teatros de batalha consolidou-se com os avanços tecnológicos da década de 1990 e com a mudança no paradigma dos conflitos internacionais, da guerra industrial interestatal para o da guerra irregular complexa. Ao combinar diversas tecnologias complementares em uma plataforma única, VANTs encerram capacidades inovadoras, de orientação ofensiva, que influenciam não só os cálculos governamentais para o engajamento em conflitos, mas também originam dinâmicas deletérias para a segurança internacional. Ao diminuir os custos estratégicos, econômicos e políticos da participação em guerras, além de acirrar o dilema da segurança sistemicamente, a tecnologia de VANTs eleva a probabilidade de ocorrência de conflitos internacionais, gerando consequências negativas, principalmente, aos Estados menos capacitados do sistema internacional. / This dissertation aims to assess the implications of the technology of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) for international security. The development and use of these devices in battlefields was consolidated with the technological advances of the 1990s and the change in the paradigm of international conflicts, from interstate industrial warfare to the complex irregular warfare. By combining several complementary technologies into a single platform, UAVs bring innovative capabilities, with an offensive bias, not only influencing the government's calculations for engaging in conflicts, but also originating deleterious dynamics to international security. By reducing the strategic, economic and political costs of participation in wars and intensifying the prisoner's dilemma systemically, UAV technology increases the likelihood of international conflicts, generating negative consequences especially to those states with less capabilities in the international system.

Made available in DSpace on 2014-11-12T01:01:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000462536-Texto+Completo-0.pdf: 1936978 bytes, checksum: 551a99d3e7495bc45e9ce1dea5d91aea (MD5) Previous issue date: 2014 / With the popularization of the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAV’s) grows the need to use more sophisticated, robust and effective controllers in order to enhance its flight performance. This work aims the development of a non-linear control to be applied on a quadrotor aircraft, reducing flight time and improving system stability. The most commonly control technique used consist of a linear control law known as Proportional Integrate Derivative (PID), which provides stability and displacement for this class of system. However, this technique has certain limitations in performance by not considering construction parameters such as actuator’s saturation and inertial moments, associated with the mass distribution of the system. Given this scenario, it is proposed the implementation of a control law, based on a formulation of optimal response time named Proximate Time Optimal Servomechanism (PTOS) to be applied on the degrees of freedom for rotation and translation of the vehicle. Furthermore, it is proposed a new approach to operate on a bidirectional displacement of a geo-referenced trajectory control system, based on the concept of optimal time, such as PTOS. Firstly it is presented the system dynamics, then a linearization, for purpose of control design, is achieved so that the proposed controllers are developed. / Com a popularização do uso de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT’s) cresce a necessidade do uso de controladores mais sofisticados, mais robustos e mais eficazes, de forma a aprimorar sua performance de voo. Este trabalho tem como objetivo a implementação de uma técnica de controle não linear para ser aplicada em VANT’s do tipo quadcóptero, reduzindo o tempo de voo e aprimorando a estabilidade do sistema. A técnica de controle comumente usada consiste em uma lei de controle linear conhecida como PID (Proporcional Integrador Derivador) que, embora proporcione estabilidade e deslocamento para essa classe de sistema, esta técnica apresenta certas limitações de desempenho e performance por não considerar parâmetros construtivos, tais como a saturação do próprio atuador e momentos inerciais associados à distribuição de massa no sistema. Neste cenário, é proposto a implementação de uma lei de controle, baseada em uma formulação de tempo de resposta quase ótimo denominada Proximate Time Optimal Servomechanism (PTOS), a ser aplicada nos graus de liberdade relativos a rotação e translação do veículo. Não obstante, é proposta uma técnica de controle bidirecional para atuar no controle da trajetória georreferenciada do sistema, alicerçada no conceito de tempo ótimo, tal como PTOS. Como metodologia, primeiramente é apresentado o modelo da dinâmica do sistema, tal como uma representação linear para fins de projeto de controle, para que então sejam desenvolvidos os controladores propostos. O desenvolvimento é validado offline, via simulações dos algorítimos.

Submitted by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2018-05-10T17:55:53Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) dissertacao_lennon_chaves.pdf: 2813829 bytes, checksum: 48c3fbefe451491c81bbf9ddb680a318 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2018-05-10T17:56:13Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) dissertacao_lennon_chaves.pdf: 2813829 bytes, checksum: 48c3fbefe451491c81bbf9ddb680a318 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-10T17:56:14Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) dissertacao_lennon_chaves.pdf: 2813829 bytes, checksum: 48c3fbefe451491c81bbf9ddb680a318 (MD5) Previous issue date: 2018-02-02 / During the last decades, model checking techniques have been applied to improve overall system reliability, in unmanned aerial vehicle (UAV) approaches. Nonetheless, there is little effort focused on applying those methods to the control-system domain, especially when it comes to the investigation of low-level implementation errors, which are related to digital controllers and hardware compatibility. The present study addresses the mentioned problems and proposes the application of a bounded model checking tool, named as Digital System Verifier (DSVerifier), to the verification of digital-system implementation issues, in order to investigate problems that emerge in digital controllers designed for UAV attitude systems. A verification methodology to search for implementation errors related to finite word-length effects ( e.g., arithmetic overflows and limit cycles), in UAV attitude controllers, is presented, along with its evaluation, which aims to ensure correct-by-design systems. Experimental results show that failures in UAV attitude control software used in aerial surveillance, which are hardly found by simulation and testing tools, can be easily identified by DSVerifier. / Durante as últimas décadas, técnicas de verificação de modelos tem sido utilizadas para melhorar a confiabilidade de sistemas, no que diz respeito a veículos aéreos não-tripulados (VANTs). Contudo, existem poucos esforços focados em aplicar esses métodos ao controle de sistemas, especialmente os relativos à investigação de erros de implementação de baixo nível, os quais estão relacionados a controladores digitais e compatibilidade de hardware. O presente trabalho aborda os problemas mencionados e propõe a aplicação de uma ferramenta de verificação limitada de modelos, conhecida como Digital System Verifier (DSVerifier) ou Verificador de Sistemas Digitais, à verificação de implementação de sistemas digiais, com o objetivo de investigar problemas em controladores digitais projetados para sistemas de atitude em VANTs. Apresenta-se uma metodologia de verificação para procurar por erros de implementação relacionados a efeitos de tamanho de palavra finita (i.e, estouros aritméticos e ciclos-limites), em controladores de atitude de VANTs, juntamente com sua avaliação, o que visa garantir a corretude desses sistemas. Resultados experimentais mostram que falhas encontradas em software de controle de atitude de VANTs usados em vigilância aérea, as quais são dificilmente encontradas pro simulação e ferramentas de teste, podem ser facilmente identificadas pelo DSVerifier.

Veículos Aéreos não Tripulados (VANTs) são aeronaves que voam sem tripulação e são capazes de realizar diversos tipos de missões, como vigilância, coleta de dados topográficos e monitoramento ambiental. Este é um domínio que tem muito a ganhar com a aplicação da abordagem de Linha de Produtos de Software (LPS), uma vez que é rico em variabilidades e cada modelo de VANT tem também muitas partes comuns. Neste trabalho é apresentada uma infraestrutura tecnológica e de configuração de ativos em Simulink, gerenciados pelas ferramentas Pure::variant e Hephaestos para uma LPS de VANTs. Um conjunto de padrões para especificação de variabilidades em Simulink é proposto, bem como uma extensão para a ferramenta Hephaestus. Uma comparação entre as ferramentas Pure::variants e Hephaestus é apresentada / Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are aircrafts that can fly without any crew and are capable to realize several types of missions such as surveillance, topographic data collection and environmental monitoring. This is a domain which can benefit very much with the adoption of the Software Product Lines (SPL) approach, as each UAV model is rich in variabilities and has many common parts. In this work it is presented a software asset configuration infrastructure for the Simulink environment, managed by the tools Pure::variants and Hephaestus for a UAV SPL. A set of patterns of variability specification in Simulink is proposed as well as an extension to Hephaestus to support a SPL product engineering for Simulink. A comparison between Pure::variants and Hephaestus is also presented

Este trabalho dedica-se ao projeto e desenvolvimento de um veículo aéreo não tripulado. Tais veículos podem ser utilizados em diversas aplicações como monitoramento, vigilância, transporte, resgate, entre outros. Dentre os diversos tipos de veículos aéreos, este trabalho irá focar no modelo do quadrirotor, composto por quatro hélices contra-rotoras que estabilizam e movimentam o veículo. Para alcançar o objetivo de controlar este tipo de veículo, várias propostas e metodologias podem ser aplicadas, todas buscando contemplar o controle de todas ou parte das variáveis de estado presentes nesta planta. Neste texto serão descritas: as equações cinemáticas e dinâmicas que regem este sistema; o projeto e composição mecânica da aeronave; definição de sensores e atuadores juntamente com seus métodos de utilização; implementação de controlador linear por alocação direta de polos e Regulador Linear Quadrático juntamente com observador de estados de ordem plena e filtro de Kalman, para recuperação de estados não mensurados e filtragem de ruídos. Serão apresentados resultados em simulações para cada método de controle selecionado visando optar pelo melhor controlador para a aplicação da aeronave. O método selecionado será implementado para controlar a aeronave com os sensores e atuadores selecionados. Esta implementação será realizada a partir da técnica HIL Hardware in The Loop juntamente com o software MATLAB/Simulink visando validar o controlador em conjunto com a planta real, bem como o modelo dinâmico construído. / This work is dedicated to the project and development of an unmanned aerial vehicle. Such vehicles can be employed in various applications such as monitoring, surveillance, transportation, rescue and others. Among the types of aerial vehicles, this work is focused on the quadrotor, composed by four counter-rotating propellers which stabilize and displace the vehicle. In order to fulfill the objective of controlling this vehicle, many methodologies and propositions can be applied, seeking the control of all or a snippet of the state variables present in the system. There will be described in this work: the cinematic and dynamic equations that govern this system; the mechanical project and construction of the aircraft; sensors and actuators definition, along with its usage methods; linear control implementation of the pole placement and Linear Quadratic Regulator techniques along full order state observer and Kalman filtering in order to recover and filter non-measured states. Performance results in simulations will be presented on each control implementation to validate the best controller for the application and this implementation will be applied on the projected aircraft using the sensors and actuators selected. This implementation will be given through the HIL - Hardware in the Loop method using MATLAB/Simulink software to validate the control technique applied and the constructed dynamic model.

A aplicação de defensivos químicos em áreas agrícolas é de primordial importância para o rendimento de lavouras. O uso de aeronaves é cada vez mais comum em tal tarefa, principalmente pelo fato de aumentar a agilidade na operação. Entretanto, características climáticas, como intensidade e orientação do vento, podem causar prejuízo aos produtores (e.g. aplicação sobreposta dos defensivos e multas por aplicação de defensivos na borda exterior da lavoura). Essa lacuna motivou este trabalho de mestrado, que tem por objetivo avaliar um sistema integrado de veículos aéreos não tripulados (VANTs) e redes de sensores sem fio (RSSFs) para aumentar a eficiência da aplicação de defensivos químicos em campos agrícolas. Um VANT é utilizado para percorrer o campo enquanto aplica defensivos químicos. Uma RSSF com nós capazes de sensoriar a concentração de defensivos químicos é instalada no solo do campo. Os nós da RSSF e o VANT são equipados com módulos de rádio, possibilitando a troca de informação entre eles. Desse modo, o VANT consegue obter a distribuição de defensivos químicos aplicados no campo, podendo então tomar decisões para aumentar a eficiência da aplicação. Para análise desse sistema, dois experimentos foram realizados utilizando o simulador OMNeT++ e o framework MiXiM. Em um primeiro experimento é comparada a eficiência do sistema proposto com o sistema tradicional de pulverização agrícola, mostrando que é possível aumentar, em média, 16% a quantidade de defensivos químicos aplicados dentro do campo agrícola. E, em alguns casos, é possível obter um aumento de até 118,25%. No segundo experimento são analisados cinco diferentes protocolos de comunicação, mostrando que é possível otimizar o uso da bateria nos nós sensores sem fio em até 10 vezes, sem diminuir a eficiência do sistema / The use of chemical defensives in crop fields is important for the agricultural production. Often airplanes are used for spraying these products, because it adds agility in such task. But climatic characteristics, such as wind speed, may cause loss to farmers (e.g. superimposed application and fines for environment contamination). This text details an integrated system of unmanned aerial vehicle (UAV) and wireless sensor network (WSN) with the purpose of letting the aerial spraying process more precise. An UAV is used to spray chemicals in the crop field. A WSN composed of sensor nodes capable of sensoring quantities of chemical defensives is installed in the crop. Both UAV and sensor nodes are equipped with radio modules, this way they can communicate each other. Thus, the UAV may obtain the information of where the chemicals are being applied, then the UAV may take some action to performs a better spraying. This system were developed in the simulator OMNET++ using the framework MiXiM and two experiments were executed. In the first experiment the objective is to compare the efficiency of this system with the tradicional system, without the WSN. Results shown that the proposed system can improve the spraying process in 16% on average, and 118.25% on some cases. In the second experiment, five different WSN protocols were evaluated in means of battery usage of the sensor nodes. Results shown that its possible to reduce the battery usage in 10 times without intervene in the system efficiency

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2011

Este trabalho dedica-se ao projeto e desenvolvimento de um veículo aéreo não tripulado. Tais veículos podem ser utilizados em diversas aplicações como monitoramento, vigilância, transporte, resgate, entre outros. Dentre os diversos tipos de veículos aéreos, este trabalho irá focar no modelo do quadrirotor, composto por quatro hélices contra-rotoras que estabilizam e movimentam o veículo. Para alcançar o objetivo de controlar este tipo de veículo, várias propostas e metodologias podem ser aplicadas, todas buscando contemplar o controle de todas ou parte das variáveis de estado presentes nesta planta. Neste texto serão descritas: as equações cinemáticas e dinâmicas que regem este sistema; o projeto e composição mecânica da aeronave; definição de sensores e atuadores juntamente com seus métodos de utilização; implementação de controlador linear por alocação direta de polos e Regulador Linear Quadrático juntamente com observador de estados de ordem plena e filtro de Kalman, para recuperação de estados não mensurados e filtragem de ruídos. Serão apresentados resultados em simulações para cada método de controle selecionado visando optar pelo melhor controlador para a aplicação da aeronave. O método selecionado será implementado para controlar a aeronave com os sensores e atuadores selecionados. Esta implementação será realizada a partir da técnica HIL Hardware in The Loop juntamente com o software MATLAB/Simulink visando validar o controlador em conjunto com a planta real, bem como o modelo dinâmico construído. / This work is dedicated to the project and development of an unmanned aerial vehicle. Such vehicles can be employed in various applications such as monitoring, surveillance, transportation, rescue and others. Among the types of aerial vehicles, this work is focused on the quadrotor, composed by four counter-rotating propellers which stabilize and displace the vehicle. In order to fulfill the objective of controlling this vehicle, many methodologies and propositions can be applied, seeking the control of all or a snippet of the state variables present in the system. There will be described in this work: the cinematic and dynamic equations that govern this system; the mechanical project and construction of the aircraft; sensors and actuators definition, along with its usage methods; linear control implementation of the pole placement and Linear Quadratic Regulator techniques along full order state observer and Kalman filtering in order to recover and filter non-measured states. Performance results in simulations will be presented on each control implementation to validate the best controller for the application and this implementation will be applied on the projected aircraft using the sensors and actuators selected. This implementation will be given through the HIL - Hardware in the Loop method using MATLAB/Simulink software to validate the control technique applied and the constructed dynamic model.

A aplicação de defensivos químicos em áreas agrícolas é de primordial importância para o rendimento de lavouras. O uso de aeronaves é cada vez mais comum em tal tarefa, principalmente pelo fato de aumentar a agilidade na operação. Entretanto, características climáticas, como intensidade e orientação do vento, podem causar prejuízo aos produtores (e.g. aplicação sobreposta dos defensivos e multas por aplicação de defensivos na borda exterior da lavoura). Essa lacuna motivou este trabalho de mestrado, que tem por objetivo avaliar um sistema integrado de veículos aéreos não tripulados (VANTs) e redes de sensores sem fio (RSSFs) para aumentar a eficiência da aplicação de defensivos químicos em campos agrícolas. Um VANT é utilizado para percorrer o campo enquanto aplica defensivos químicos. Uma RSSF com nós capazes de sensoriar a concentração de defensivos químicos é instalada no solo do campo. Os nós da RSSF e o VANT são equipados com módulos de rádio, possibilitando a troca de informação entre eles. Desse modo, o VANT consegue obter a distribuição de defensivos químicos aplicados no campo, podendo então tomar decisões para aumentar a eficiência da aplicação. Para análise desse sistema, dois experimentos foram realizados utilizando o simulador OMNeT++ e o framework MiXiM. Em um primeiro experimento é comparada a eficiência do sistema proposto com o sistema tradicional de pulverização agrícola, mostrando que é possível aumentar, em média, 16% a quantidade de defensivos químicos aplicados dentro do campo agrícola. E, em alguns casos, é possível obter um aumento de até 118,25%. No segundo experimento são analisados cinco diferentes protocolos de comunicação, mostrando que é possível otimizar o uso da bateria nos nós sensores sem fio em até 10 vezes, sem diminuir a eficiência do sistema / The use of chemical defensives in crop fields is important for the agricultural production. Often airplanes are used for spraying these products, because it adds agility in such task. But climatic characteristics, such as wind speed, may cause loss to farmers (e.g. superimposed application and fines for environment contamination). This text details an integrated system of unmanned aerial vehicle (UAV) and wireless sensor network (WSN) with the purpose of letting the aerial spraying process more precise. An UAV is used to spray chemicals in the crop field. A WSN composed of sensor nodes capable of sensoring quantities of chemical defensives is installed in the crop. Both UAV and sensor nodes are equipped with radio modules, this way they can communicate each other. Thus, the UAV may obtain the information of where the chemicals are being applied, then the UAV may take some action to performs a better spraying. This system were developed in the simulator OMNET++ using the framework MiXiM and two experiments were executed. In the first experiment the objective is to compare the efficiency of this system with the tradicional system, without the WSN. Results shown that the proposed system can improve the spraying process in 16% on average, and 118.25% on some cases. In the second experiment, five different WSN protocols were evaluated in means of battery usage of the sensor nodes. Results shown that its possible to reduce the battery usage in 10 times without intervene in the system efficiency