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

Os Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) são ideais para operações de risco e estressante para o ser humano são as chamadas dull, dirty and dangerous missions. Portanto, uma importante aplicação desse tipo de robô aéreo diz respeito a operações de busca envolvendo múltiplos VANTs cooperativos, em que há risco de colisões entre aeronaves e o tempo de um voo é limitado, entre outros fatores, pela capacidade de um piloto trabalhar sem descanso. Entretanto, apesar de atualmente verificar-se um crescente número de pesquisas envolvendo VANTs e do grande potencial existente na utilização de VANTs, operações de busca cooperativas ainda não estão ocorrendo. Esse assunto é uma área de estudo multidisciplinar e nascente, que possui diversas linhas de pesquisa. Diferentes algoritmos de navegação e padrões de busca foram estudados visando selecionar o(s) mais adequado(s). Além disso, apresenta-se, neste trabalho, uma visão geral sobre os mecanismos de coordenação multiagente e avalia a adequação de cada uma delas à coordenação distribuída de agentes (VANTs), visando cooperação. Assim, com o objetivo de melhorar o desempenho de uma operação de busca, esta pesquisa de mestrado propõe um modelo de VANTs cooperativos que combina mecanismos de coordenação multiagente, algoritmos de navegação e padrões de busca estabelecidos pelos principais órgãos responsáveis pelas operações de busca e salvamento. Visando avaliar a sensibilidade do percentual médio de detecção de objetos, bem como o tempo médio de busca, foi desenvolvido um simulador e milhares de simulações foram realizadas. Observou-se que, utilizando o modelo, VANTs cooperativos podem reduzir, em média, 57% do tempo de busca (comparando com uma busca de dois VANTs não cooperativos no mesmo cenário), mantendo a probabilidade média de detecção dos objetos próxima de 100% e sobrevoando apenas 30% do espaço de busca. / There are an increasing number of researches into UAV (Unmanned Aerial Vehicle) in the literature. These robots are quite suitable to dull, dirty and dangerous missions. Thus, an important application of these vehicles is the search operations involving multiple UAVs in which there is risk of collisions among aircrafts and the flight time is limited by the maximum time of pilot working hours. However, despite the huge potential use of the UAVs, cooperative search operations with this kind of flying robots are not yet occurring. This research topic is a new and multidisciplinary area of study in its beginning and there are several issues that can be studied, such as centralized versus decentralized control, path planning for cooperative flights, agent reasoning for UAV tactical planning, safety assessments, reliability in automatic target reconnaissance by cameras, agent coordination mechanisms applied to UAV cooperation and the application itself. Different path planning algorithms were studied aiming to attain the most suitable to these kinds of operations, and the conclusions are presented. In addition, official documents of Search and Rescue operations are also studied in order to know the best practices already established for this kind of operations, and, finally, an overview of the coordination multi-agent theory is presented and evaluated to achieve the UAV coordination. This work proposes a model that combines path planning algorithms, search patterns and multi-agent coordination techniques to obtain a cooperative UAV model. The great goal for cooperative UAV is to achieve such performance that the performance of the group overcomes the sum of the individual performances isolatedly. Then, aiming to analyze the average percentage of objects detection, and the average search time, a simulator was developed and thousands of simulations were run. It was observed that, using the proposed model, two cooperative UAVs can perform a search operation 57% faster than two non cooperative UAVs, keeping the average probability of objects detection approaching at 100% and flying only 30% of the search space.

Correntes de retorno são fluxos estreitos e intensos posicionados normal ou obliquamente a linha de costa e são a chave para compreender os processos de troca de água entre a zona de surfe e a plataforma interna. O objetivo do presente estudo é avaliar a influência da morfologia e das forçantes externas nos processos de formação e manutenção das correntes de retorno na praia de Maresias (SP). Para tanto, foram integrados diversos métodos como imagens aéreas obtidas através de VANT, levantamentos topográficos e modelagem numérica. Os resultados indicam que a variação longitudinal da morfologia desempenha um papel fundamental na formação e manutenção das correntes de retorno, assim como os parâmetros de ondas incidentes. A porção leste e central da área de estudo se manteve estável quando comparada a porção oeste, em virtude de correntes de retorno controladas pela morfologia, que também intensificaram os processos de erosão e deposição na porção emersa do perfil praial. Já a porção oeste se mostrou mais suscetível a variações do parâmetros de ondas incidentes. Outro fator relevante observado foi o risco para banhistas; as correntes a leste da área de estudo representaram maior risco visto que o regime de saída foi predominante durante todo o experimento e os fluxos permaneceram estáveis por até 1 km. Os resultados mostram ainda que em se tratando dos padrões de correntes de retorno na praia de Maresias (SP), feições morfológicas geradas durante eventos extremos podem sobrepujar o efeito da variação dos parâmetros de ondas incidentes. / Rip currents are narrow and strong flows positioned normal or oblique to the coastline that represent the key to understand the processes of water exchange between the surf zone and the inner shelf. The aim of this study is to assess the influence of the morphology and the external forces in the processes of rip currents formation and maintenance at Maresias beach (SP). Therefore, we combine various methods, sucha as AUV aerial images, topographic surveys and numerical modeling. The results show that the longitudinal variation of the morphology plays a key role in the formation and maintenance of rip currents, as well as the incoming wave parameters. The central and eastern part of the study area were more stable than the west part, due to the rip currents controlled by the bathymetry, which also intensify the processes of erosion and deposition in the beach profile. The western part was more susceptible to variations of the incoming wave parameters. Another relevant factor is related to beach safety; the currents in the central and east part are more dangerous, since they show an exit flow during all the experiment and the flow remained stable up to 1 km. The results also show that in the case of rip currents at Maresias beach (SP), morphological features generated during extreme events can overcome the effect of the incoming waves.

This paper aims to present the thesis developed in the Doctoral Programin Computer Science and Computational Mathematics of the ICMC/USP. The thesis theme seeks to advance the state of the art by solving the problems of scalability and representation present in mission planning algorithms for Unmanned Aerial Vehicle (UAV). Techniques based on mathematical programming and evolutionary computation are proposed. Articles have been published, submitted or they are in final stages of preparation.These studies report the most significant advances in the representation and scalability of this problem. Mission planners worked on the thesis deal with stochastic problems in non-convex environments,where collision risks or failures in mission planning are treated and limited to a tolerated value. The advances in the representation allowed to solve violations in the risks present in the original literature modeling, besides making the models more realistic when incorporating aspects such as effects of the air resistance. Efficient mathematical modeling techniques allowed to advance from a Mixed Integer Nonlinear Programming (MINLP) model, originally proposed in the literature, to a Mixed Integer Linear Programming (MILP) problem. Modeling as a MILP led to problem solving more efficiently through the branch-and-algorithm. The proposed new representations resulted in improvements from scalability, solving more complex problems within a shorter computational time. In addition, advances in scalability are even more effective when techniques combining mathematical programming and metaheuristics have been applied to the problem. / O presente documento tem por objetivo apresentar a tese desenvolvida no Programade Doutorado em Ciência da Computação e Matemática Computacional do ICMC/USP. O tema da tese busca avançar o estado da arte ao resolver os problemas de escalabilidade e representação presentes em algoritmos de planejamento para missões com Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs). Técnicas baseadas em programação matemática e computação evolutiva são propostas. Artigos foram publicados, submetidos ou se encontram em fase final de elaboração. Esses trabalhos reportamos avanços mais significativos obtidos na representação e escalabilidade deste problema.Os planejadores de missão trabalhados na tese lidam com problemas estocásticos em ambientes não convexos, onde os riscos de colisão ou falhas no planejamento da missão são tratados e limitados a um valor tolerado. Os avanços na representação permitiram solucionar violações nos riscos presentes na modelagem original, além de tornar os modelos mais realistas ao incorporar aspectos como efeitos da resistência do ar. Para isso, técnicas eficientes de modelagem matemática permitiram avançar de um modelo de Programação Não-Linear Inteira Mista(PNLIM), originalmente proposto na literatura, para um problema de Programação Linear Inteira Mista (PLIM). A modelagem como um PLIM levou à resolução do problema de forma mais eficiente através do algoritmo branch-and-cut. As novas representações propostas resultaram em melhorias na escalabilidade, solucionando problemas mais complexos em um tempo computacional menor.Além disso,os avanços em escalabilidade mostraram-se mais efetivos quando técnicas combinando programação matemática e metaheurísticas foram aplicadas ao problema.

Os Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) são ideais para operações de risco e estressante para o ser humano são as chamadas dull, dirty and dangerous missions. Portanto, uma importante aplicação desse tipo de robô aéreo diz respeito a operações de busca envolvendo múltiplos VANTs cooperativos, em que há risco de colisões entre aeronaves e o tempo de um voo é limitado, entre outros fatores, pela capacidade de um piloto trabalhar sem descanso. Entretanto, apesar de atualmente verificar-se um crescente número de pesquisas envolvendo VANTs e do grande potencial existente na utilização de VANTs, operações de busca cooperativas ainda não estão ocorrendo. Esse assunto é uma área de estudo multidisciplinar e nascente, que possui diversas linhas de pesquisa. Diferentes algoritmos de navegação e padrões de busca foram estudados visando selecionar o(s) mais adequado(s). Além disso, apresenta-se, neste trabalho, uma visão geral sobre os mecanismos de coordenação multiagente e avalia a adequação de cada uma delas à coordenação distribuída de agentes (VANTs), visando cooperação. Assim, com o objetivo de melhorar o desempenho de uma operação de busca, esta pesquisa de mestrado propõe um modelo de VANTs cooperativos que combina mecanismos de coordenação multiagente, algoritmos de navegação e padrões de busca estabelecidos pelos principais órgãos responsáveis pelas operações de busca e salvamento. Visando avaliar a sensibilidade do percentual médio de detecção de objetos, bem como o tempo médio de busca, foi desenvolvido um simulador e milhares de simulações foram realizadas. Observou-se que, utilizando o modelo, VANTs cooperativos podem reduzir, em média, 57% do tempo de busca (comparando com uma busca de dois VANTs não cooperativos no mesmo cenário), mantendo a probabilidade média de detecção dos objetos próxima de 100% e sobrevoando apenas 30% do espaço de busca. / There are an increasing number of researches into UAV (Unmanned Aerial Vehicle) in the literature. These robots are quite suitable to dull, dirty and dangerous missions. Thus, an important application of these vehicles is the search operations involving multiple UAVs in which there is risk of collisions among aircrafts and the flight time is limited by the maximum time of pilot working hours. However, despite the huge potential use of the UAVs, cooperative search operations with this kind of flying robots are not yet occurring. This research topic is a new and multidisciplinary area of study in its beginning and there are several issues that can be studied, such as centralized versus decentralized control, path planning for cooperative flights, agent reasoning for UAV tactical planning, safety assessments, reliability in automatic target reconnaissance by cameras, agent coordination mechanisms applied to UAV cooperation and the application itself. Different path planning algorithms were studied aiming to attain the most suitable to these kinds of operations, and the conclusions are presented. In addition, official documents of Search and Rescue operations are also studied in order to know the best practices already established for this kind of operations, and, finally, an overview of the coordination multi-agent theory is presented and evaluated to achieve the UAV coordination. This work proposes a model that combines path planning algorithms, search patterns and multi-agent coordination techniques to obtain a cooperative UAV model. The great goal for cooperative UAV is to achieve such performance that the performance of the group overcomes the sum of the individual performances isolatedly. Then, aiming to analyze the average percentage of objects detection, and the average search time, a simulator was developed and thousands of simulations were run. It was observed that, using the proposed model, two cooperative UAVs can perform a search operation 57% faster than two non cooperative UAVs, keeping the average probability of objects detection approaching at 100% and flying only 30% of the search space.

Submitted by Cássio da Cruz Nogueira (cassionogueirakk@gmail.com) on 2017-02-08T12:57:27Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_TecnologiaAmbientalGestao.pdf: 2012168 bytes, checksum: 2e17393c9cf6ebe1346e4167d4cf9466 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-02-10T18:22:43Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_TecnologiaAmbientalGestao.pdf: 2012168 bytes, checksum: 2e17393c9cf6ebe1346e4167d4cf9466 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-10T18:22:44Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_TecnologiaAmbientalGestao.pdf: 2012168 bytes, checksum: 2e17393c9cf6ebe1346e4167d4cf9466 (MD5) Previous issue date: 2015-11-18 / As características da tecnologia dos veículos aéreos não tripulados (VANTs) potencializam sua utilização para usos civis nas mais diversas áreas. Vislumbrando a potencialidade do uso desta tecnologia na área de fiscalização mineral, esta foi adquirida por parte do órgão de competência federal na outorga e fiscalização mineral do estado do Pará. Entretanto, a disponibilidade e o fato de adquirir a referida tecnologia não são suficientes para o êxito na sua utilização. O sucesso ou fracasso está diretamente relacionado com a forma que essa tecnologia é gerida. A presente pesquisa objetivou a análise do processo de incorporação dessa tecnologia como ferramenta de fiscalização mineral pelo Departamento Nacional de Produção Mineral do Estado do Pará (DNPM-PA). Para tanto, utilizou abordagem metodológica baseada nos processos de gestão de inovação tecnológica de Nuchera, Fundación COTEC e Tidd e Bessant. Em relação aos procedimentos da pesquisa, foram realizados levantamentos bibliográfico e documental, entrevistas, bem como aplicação de questionários livres para estudo de caso. O desenvolvimento da pesquisa demonstrou que, apesar da potencialidade dos VANTs como ferramenta de fiscalização mineral, a tecnologia não está sendo incorporada de forma estratégica no estado do Pará. Destaca-se que a fiscalização é parte fundamental na gestão de recursos naturais, atuando no controle e monitoramento de impactos ambientais oriundos da atividade de mineração, e que a difusão desta tecnologia contribuirá no fortalecimento das ações de fiscalização no estado, desde que a inserção dos VANTs seja realizada dentro dos conceitos de gestão de inovação tecnológica. / The technology features of unmanned aerial vehicles (UAVs) potentiate its civil use in several areas. Glimpsing the potential use in mineral inspection area of this technology, it was acquired by the federal competence agency in the granting and mineral inspection of Pará State. However, the availability and the fact to acquire such technology are not sufficient for success in their use. The success or failure is directly related to the way that this technology is managed. This research aimed to analyze the process of incorporating this technology as mineral inspection tool by the National Mineral Production Department of Pará State (DNPM-PA). For this purpose, used methodological approach based on technological innovation management processes of Nuchera, COTEC Foundation and Tidd and Bessant. About the research procedures, bibliographical and documentary surveys were conducted, interviews and application of free questionnaires for case study. The research development showed that, despite the potential of UAVs as mineral inspection tool, the technology is not getting incorporated strategically of Pará State. Stands out that the inspection is a fundamental part in the natural resources management, acting on the control and monitoring of environmental impacts from the mining activity, and that the spread of this technology will contribute to the strengthening of inspection activities in the state, since the insertion of UAVs is performed within the technological innovation management concepts.

O presente documento tem por objetivo apresentar a tese desenvolvida no programa de doutorado em Ciência da Computação e Matemática Computacional do ICMC/USP. Esta tese aborda o desenvolvimento de sistemas autônomos, de baixo custo, para supervisão de missão e segurança de voo em Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs). A supervisão da missão é assegurada através da implementação de um sistema do tipo Mission Oriented Sensor Array (MOSA), responsável pelo adequado cumprimento da missão. A segurança de voo é garantida pelo sistema In-Flight Awareness (IFA), que visa monitorar o funcionamento da aeronave. Os assuntos missão e segurança são complexos e os sistemas MOSA e IFA foram idealizados e desenvolvidos de forma independente, fundamentando-se na ideia de separação de interesses. O desenvolvimento desses sistemas foi baseado em dois modelos de referência: MOSA e IFA, propostos pela literatura. Em trabalhos anteriores da literatura, alguns sistemas do tipo MOSA e IFA foram propostos para situações específicas de missão. Numa outra abordagem, esta tese propõe um único sistema MOSA e IFA capaz de se adequar a um conjunto distinto de missões. Neste trabalho, foi desenvolvida toda arquitetura de comunicação que integra os sistemas MOSA e IFA. No entanto, apenas esses dois sistemas não são suficientes para fazer a execução da missão com segurança, necessitando-se de um sistema capaz de se comunicar com o Piloto Automático (AP) do VANT. Logo, um sistema capaz de enviar requisições e comandos ao AP foi também implementado. Através desses três sistemas, missões autônomas com desvio de obstáculos puderam ser realizadas sem intervenção humana, mesmo diante de situações críticas ao voo. Assegurar os aspectos de segurança e missão pode se tornar conflitante durante o voo, pois em situações emergenciais deve-se abortar a missão. Diferentes estratégias para planejamento e replanejamento de rotas, baseadas em computação evolutiva e heurísticas, foram desenvolvidas e integradas nos sistemas MOSA e IFA. Os sistemas, aqui propostos, foram validados em quatro etapas: (i) experimentos com o simulador de voo FlightGear; (ii) simulações com a técnica Software-In-The-Loop (SITL); (iii) simulações com a técnica Hardware-In- The-Loop (HITL); (iv) voos reais. Na última etapa, os sistemas foram embarcados em dois modelos de VANTs, desenvolvidos pelo grupo de pesquisa. Durante a experimentação, alguns modelos de pilotos automáticos (APM e Pixhawk), computadores de bordo (Raspberry Pi 3, Intel Edison e BeagleBone Black), planejadores de missão e replanejadores de rotas emergenciais foram avaliados. Ao todo, três planejadores de rotas e oito replanejadores são suportados pela plataforma autônoma. O sistema autônomo desenvolvido permite alterar missões com diferentes características de hardware e de software de forma fácil e transparente, sendo, desse modo, uma arquitetura com características plug and play. / This document aims to present the thesis developed in the doctoral program in Computer Science and Computational Mathematics at ICMC/USP. This thesis addresses the development of low- cost autonomous systems for mission supervision and flight safety in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). The mission supervision is ensured through the implementation of a Mission Oriented Sensor Array (MOSA) system, which is responsible for the proper fulfillment of the mission. The flight safety is guaranteed by the In-Flight Awareness (IFA) system, which aims to monitor the aircraft operation. The mission and safety issues are complex, and the MOSA and IFA systems were idealized and developed independently, based on the idea of separation of concerns. The development of these systems was based on two reference models: MOSA and IFA, proposed in the literature. In previous works of the literature, some MOSA and IFA systems have been proposed for specific mission situations. In another approach, this thesis proposes a single MOSA and IFA system capable of adapting to a distinct set of missions. All the communication architecture that integrates the MOSA and IFA systems were developed in this work. However, only these two systems are not sufficient to carry out the mission safely; a system that can communicate with the AutoPilot (AP) of the UAV its also needed. In this way, a system that is capable of sending commands and requests to the AP was implemented in this work. Through these three systems, autonomous missions with a diversion of obstacles could be carried out without human intervention, even in critical situations to the flight. Ensuring the safety and mission aspects can become conflicting during the flight because in hazards situations the mission must be aborted. Different strategies for path planning and path replanning, based on evolutionary computation and heuristics, were developed and integrated into the MOSA and IFA systems. The systems proposed here were validated in four stages: (i) experiments with FlightGear flight simulator; (ii) simulations using Software-In-The-Loop (SITL); (iii) simulations using Hardware- In-The-Loop (HITL); (iv) real flights. In the last stage, the systems were embedded in two models of UAVs, developed by the research group. During the experiment were evaluated some models of autopilots (APM and Pixhawk), companion computers (Raspberry Pi 3, Intel Edison and BeagleBone Black), mission planners and emergency route planners. In all, three route planners and eight replanners are supported by the autonomous platform. The developed autonomous system allows changing missions with different hardware and software characteristics in an easy and transparent way, being, therefore, an architecture with Plug and play characteristics.

O presente documento tem por objetivo apresentar a dissertação desenvolvida no Programa de Mestrado em Ciência da Computação e Matemática Computacional do ICMC/USP. A presente pesquisa busca avançar o estado da arte considerando um conceito chamado arquitetura base que integra Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) com uma plataforma web, no contexto de arquitetura de software, determina uma arquitetura inicial que se adapta as exigências de cada área. Os estudos também avançam na apresentação de uma plataforma web integrando vários VANTs e agregando diferentes módulos com variações que satisfaça a necessidade para diferentes áreas de aplicações. Com frequência os VANTs são utilizados por inúmeras áreas, como agricultura, segurança, monitoramento ambiental, coleta de dados, cidades inteligentes, entre outras, seja para visualizar imagens, vídeos ou informações de voos e é de extrema importância que essas informações estejam além de acessível bem organizadas. Muitos trabalhos são encontrados na literatura sobre VANT, mas poucos tratam o problema de acesso a informações de voos. Neste trabalho é abordado uma arquitetura de software base para a comunicação e recuperação de informações de VANTs. Para isso, a arquitetura base propõem coletar e processar diferentes informações, ou seja como cada VANT tem suas semelhanças e compartilham estruturas comuns, neste cenário, explorando estas similaridades, é proposto esta arquitetura base. Para validar esta hipótese foi realizado um estudo de caso em duas fazendas com cultivos de mangas, com a finalidade de integrar o VANT, a estação base, a estação local e a estação web, podendo recuperar informações. A principal contribuição do trabalho é o auxílio no desenvolvimento da pesquisa na área de VANTs, além de ter também um ambiente que possa ser utilizado em larga escala por diversos pilotos de VANTs para armazenamento de dados dos voos, parte destes dados ficariam em domínio público e outra parte ficaria disponível apenas ao proprietário do VANT. / This paper aims to present the dissertation developed in the Masters Program in Computer Science and Computational Mathematics of the ICMC / USP. The present research seeks to advance state of the art considering a concept called base architecture that integrates Unmanned Aerial Vehicles (UAV) with a platform in the context of software architecture determines an initial architecture that adapts the requirements of each area. The studies also advance in the presentation of a web platform integrating several UAVs and adding different modules with variations that satisfy the need for different areas of applications. Often the UAVs are used by numerous areas such as agriculture, security, environmental monitoring, data collection, smart cities, among others, whether to view images, videos or flight information and it is of the utmost importance that this information is beyond reach well organized. Many papers are found in the UAV literature, but few address the problem of access to flight information. In this work, a base software architecture for the communication and flight information of UAVs is addressed. For this, the base architecture proposes to collect and process different information, that is how each UAV has its similarities and share common structures, in this scenario, exploring these similarities, this base architecture is proposed. To validate this hypothesis, a case study was carried out on two farms with mango crops, in order to integrate the UAV, the base station, the local station and the web station, and can retrieve flight information. The main contribution of the work is the aid in the development of research in the area of UAVs, in addition to having an environment that can be used in large scale by several pilots of UAVs to store flight data, part of this data would be in the public domain and another part would be available only to the UAV owner.

Made available in DSpace on 2014-08-20T14:25:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_theo_hackbart.pdf: 2892534 bytes, checksum: 4bd14c0e449a0233a7d5e1098733bf8f (MD5) Previous issue date: 2008-11-28 / This work describes the construction of an unmanned aerial vehicle (UAV) with electrical propulsion and instrumentation in order to obtain the vertical and horizontal profiles by measuring temperature, pressure, and GPS location, in surface atmosphere layer between two heterogeneous surfaces near terrain. Using embedded electronic, one developed and built a small platform with approximately 50 grams in order to collect and acquire meteorological data. The electronic circuit is based on a PIC microcontroller with pressure and temperature sensors, and GPS. After capturing aerosondes data, the first analysis was done. By using these data, surface boundary layer structure compatible with general concepts in the literature were identified. It was also identified some details of closed structures to the frontier which separates the heterogeneous region of landcover. According to several researches aiming at sdudying different alternatives to obtaining the data, one demonstrated through this experimental that small UAVs can be very useful for agrometheorology and metheorology researches because they provide the atmospheric sounding to be performed in places where the access is difficult. Furthermore, they present a low cost. / Este trabalho descreve a construção de um veículo aéreo não tripulado (VANT) com propulsão elétrica, instrumentalizado, para obter perfis verticais e horizontais de medidas de temperatura, pressão e localização por GPS, na camada superficial da atmosfera entre duas superfícies heterogêneas próximas ao solo. Utilizando eletrônica embarcada, desenvolveu-se e implementou-se uma pequena plataforma com aproximadamente 50 gramas para coleta e aquisição de dados meteorológicos. O circuito eletrônico é baseado no microcontrolador PIC com sensores de temperatura, pressão e GPS. Após a captação de dados na aerossondagem, foi realizada uma primeira análise. Usando esses dados, identificaram-se as estruturas da camada-limite superficial compatíveis com os conceitos gerais descritos na literatura, assim como detalhes da estrutura próximos às fronteiras de separação de regiões heterogêneas de coberturas de solo. Tendo em vista as inúmeras pesquisas que visam a alternativas diferenciadas para obtenção de tais dados, mostrou-se, através deste experimento, que pequenas aeronaves não-tripuladas podem ser de grande valia para pesquisas em agrometeorologia e meteorologia, pois se destacam por possibilitar a realização de sondagens atmosféricas em lugares de difícil acesso, tendo um baixo custo.

This paper aims to present the thesis developed in the Doctoral Programin Computer Science and Computational Mathematics of the ICMC/USP. The thesis theme seeks to advance the state of the art by solving the problems of scalability and representation present in mission planning algorithms for Unmanned Aerial Vehicle (UAV). Techniques based on mathematical programming and evolutionary computation are proposed. Articles have been published, submitted or they are in final stages of preparation.These studies report the most significant advances in the representation and scalability of this problem. Mission planners worked on the thesis deal with stochastic problems in non-convex environments,where collision risks or failures in mission planning are treated and limited to a tolerated value. The advances in the representation allowed to solve violations in the risks present in the original literature modeling, besides making the models more realistic when incorporating aspects such as effects of the air resistance. Efficient mathematical modeling techniques allowed to advance from a Mixed Integer Nonlinear Programming (MINLP) model, originally proposed in the literature, to a Mixed Integer Linear Programming (MILP) problem. Modeling as a MILP led to problem solving more efficiently through the branch-and-algorithm. The proposed new representations resulted in improvements from scalability, solving more complex problems within a shorter computational time. In addition, advances in scalability are even more effective when techniques combining mathematical programming and metaheuristics have been applied to the problem. / O presente documento tem por objetivo apresentar a tese desenvolvida no Programade Doutorado em Ciência da Computação e Matemática Computacional do ICMC/USP. O tema da tese busca avançar o estado da arte ao resolver os problemas de escalabilidade e representação presentes em algoritmos de planejamento para missões com Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs). Técnicas baseadas em programação matemática e computação evolutiva são propostas. Artigos foram publicados, submetidos ou se encontram em fase final de elaboração. Esses trabalhos reportamos avanços mais significativos obtidos na representação e escalabilidade deste problema.Os planejadores de missão trabalhados na tese lidam com problemas estocásticos em ambientes não convexos, onde os riscos de colisão ou falhas no planejamento da missão são tratados e limitados a um valor tolerado. Os avanços na representação permitiram solucionar violações nos riscos presentes na modelagem original, além de tornar os modelos mais realistas ao incorporar aspectos como efeitos da resistência do ar. Para isso, técnicas eficientes de modelagem matemática permitiram avançar de um modelo de Programação Não-Linear Inteira Mista(PNLIM), originalmente proposto na literatura, para um problema de Programação Linear Inteira Mista (PLIM). A modelagem como um PLIM levou à resolução do problema de forma mais eficiente através do algoritmo branch-and-cut. As novas representações propostas resultaram em melhorias na escalabilidade, solucionando problemas mais complexos em um tempo computacional menor.Além disso,os avanços em escalabilidade mostraram-se mais efetivos quando técnicas combinando programação matemática e metaheurísticas foram aplicadas ao problema.