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

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.