Este trabalho trata do desenvolvimento de um acelerômetro opto-mecânico empregando como elementos sensores grades de Bragg a fibras ópticas. É abordado o desenvolvimento da mecânica do sistema, além de sua óptica e eletrônica, necessários para a leitura dos sensores. No aspecto mecânico são apresentadas duas propostas de topologias para o módulo sensor, uma das quais é adotada como solução do problema em pauta. Essa topologia é modelada por meio do software MatLab, determinando-se suas dimensões em função das características desejadas. A partir desse modelamento foi usinado um demonstrador de conceitos, utilizado para os ensaios subseqüentes. É apresentada também uma caixa de integração para o sistema, capaz de portar o módulo sensor, a óptica de apoio e a eletrônica de processamento de sinais, na forma de um laboratório portátil. No aspecto óptico são apresentadas duas fontes ópticas e quatro sistemas interrogadores embarcáveis, visando um produto modular, independente de equipamentos comerciais para sua leitura. São apresentadas metodologias para a determinação dos pares otimizados de grades de Bragg e para a predição da resposta característica do sistema. No aspecto eletrônico são apresentados quatro circuitos para tornar o sistema embarcável, que são a fonte de energia, a fonte óptica, os circuitos de transimpedância e conversão análogo-digital e o circuito de controle digital. Como resultados os quatro sistemas interrogadores propostos são caracterizados para a medida de acelerações, e são realizados outros ensaios para determinar possíveis fontes de erro do sistema. Nas conclusões, além da comparação dos resultados obtidos com as características de um acelerômetro por realimentação de força, tipicamente empregado em aplicações inerciais, são propostos vários trabalhos futuros, assim como aplicações duais para a óptica e eletrônica desenvolvidas neste trabalho.

Este trabalho apresenta a modelagem e simulação de um microacelerômetro capacitivo de silício produzido pela técnica de fabricação em substrato. O princípio de funcionamento do dispositivo é apresentado, assim como, suas características geométricas oriundas do processo de microfabricação. Utilizou-se a descrição generalizada para identificar e subdividir os elementos físicos do dispositivo em termos de suas funcionalidades. Por meio dessa metodologia identificou-se o elemento sensor elástico, o elemento sensor capacitivo e o condicionamento de sinal. As modelagens analíticas estática e dinâmica dos elementos sensores são apresentadas e os modelos obtidos são simulados usando o programa Matlab/Simulink. A validade de cada modelo é discutida e os resultados obtidos são relacionados às principais especificações do dispositivo. O modelo geométrico tridimensional do microacelerômetro é simulado numericamente usando o programa COMSOL Multiphysics. Os resultados obtidos numericamente são comparados com os analíticos e mostram uma excelente concordância, validando os modelos analíticos. .

Esta tese apresenta o desenvolvimento de um acelerômetro MEMS para navegação inercial. O projeto teve que aderir e superar as fortes limitações do serviço de fabricação multi-usuário e dos escassos recursos de pós-processamento disponíveis. O elemento sensível usa a topologia de placas paralelas com realimentação de força. A deflexão da massa de prova, decorrente de uma aceleração externa, gera variação diferencial nas capacitâncias do sensor. Essa deflexão é compensada pela aplicação de força eletrostática na massa de prova. O esforço necessário para cancelar a aceleração externa torna-se então a medida do acelerômetro. A eletrônica proposta usa um amplificador de carga em circuito integrado e um circuito externo para realizar a lei de controle e gerar a realimentação de força. O desempenho teórico/simulado é de 40 ug/sqrtHz de ruído mecânico, 100 Hz de largura de banda e 10 g de fundo de escala. Este desempenho é bastante adequado para uso em navegação inercial de diversas aplicações. Foi feito o projeto do sensor MEMS, de blocos da eletrônica integrada e do compensador de realimentação de força. Para testar o conceito do circuito de leitura do sensor, foi projetada e testada uma montagem discreta. O sensor MEMS foi fabricado pelo serviço multi-usuário da MEMSCAP. Uma amostra foi pós-processada no laboratório CCS-Unicamp: foi feita uma corrosão sobre a placa central e posterior wedge bonding para a montagem. A montagem apresentou dificuldades e não foi concluída. Da eletrônica, duas rodadas de microfabricação foram realizadas na austriamicrosystems. A primeira consistiu em circuitos baseados em amplificador operacional, enquanto a segunda foi uma fonte de referência bandgap. Foram realizados os testes de ambos os circuitos integrados, que positivamente verificaram os resultados de simulação.

Estimar atitude de forma acurada, usualmente emprega medidas de vertical local e norte magnético obtidas de, respectivamente, acelerômetros e magnetômetro, um modelo cinemático da rotação com parâmetros obtidos de girômetros, e um filtro capaz de fundir estas informações. Acelerômetros, entretanto, medem não só a força específica referente à reação à gravidade, mas também componentes de força específica referentes a manobras. Isso afeta negativamente a estimação de atitude durante manobras intensas. Adicionalmente, o emprego de redundância de sensores e processadores permite obter estimativas mais acuradas, tolerância a falhas, escalabilidade e modularidade mediante o uso de algoritmos adequados. Este trabalho revisa abordagens distintas de estimadores de atitude baseados no filtro de Kalman estendido parametrizado por quatérnion. Então, estudam-se duas abordagens distintas para o problema das medidas de acelerômetro sob manobras. A primeira detecta e descarta as medidas corrompidas por manobras e a segunda computa e compensa componentes de força específica das medidas do acelerômetro. Propõe-se computar analiticamente a covariância do ruído da medida resultante da segunda abordagem, o que permite uma sintonia correta do filtro de Kalman. Também se propõe uma combinação das abordagens, gerando resultados iguais ou melhores. Testam-se, então, neste problema de estimação de atitude, diversos algoritmos de fusão de dados segundo as arquiteturas centralizada, hierárquica e distribuída. Os algoritmos de fusão se mostram promissores quando os estimadores locais estimam apenas atitude. Entretanto, quando os estimadores estimam atitude e deriva de girômetro, a estimativa de deriva resulta degradada.

Este trabalho se insere na área de estudos da detecção interferométrica óptica como forma de interrogação de acelerômetros da vertente tecnológica de sistemas micro-eletro-mecânicos, provenientes do Projeto AcelerAD, financiado pela FINEP, realizado no âmbito do DCTA/IEAv. Acelerômetros são dispositivos capazes de medir acelerações e vibrações, em até três dimensões, às quais é submetido um determinado corpo; sua alta sensibilidade às acelerações é extremamente útil a inúmeras aplicações. Normalmente, o processo de leitura da aceleração é realizado por métodos eletrônicos; contudo, em certas aplicações, é necessário garantir que o processo de obtenção das informações fornecidas pelo acelerômetro seja imune às interferências eletromagnéticas do ambiente de operação. Dessa forma, este trabalho explora a viabilidade de interrogação de acelerômetros por meios ópticos, explorando a natureza interferométrica óptica da topologia estrutural, não intencionalmente concebida para esse propósito, que foi adotada no acelerômetro MEMS desenvolvido no escopo do Projeto AcelerAD.

Este trabalho apresenta o uso de técnicas de otimização, baseadas em Meta-Heurísticas, em vistas de propor melhorias no projeto e desempenho de um acelerômetro capacitivo, baseado na tecnologia de Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos (Micro-Electro-Mechanical Systems - MEMS), desenvolvido dentro do escopo do projeto ACELERAD.A modelagem analítica é apresentada com enfoque em modelos analíticos alternativos, para representação do amortecimento por compressão em filmes finos de fluido, para baixas pressões, aplicados em dispositivos MEMS, visando refinar a modelagem do microacelerômetro do ponto de vista fluido-mecânico. Também são abordados alguns dos principais modelos semi-empíricos, aplicados na representação de comportamento térmico do material de constituição do elemento sensor. Um circuito elétrico analógico de interrogação do sensor é apresentado, a fim de compor o sistema elétrico do dispositivo, visando uma abordagem alternativa de interrogação do transdutor de aceleração MEMS. Também é apresentado um modelo do dispositivo, com a inclusão do modelo adotado para representar o amortecimento por compressão de filmes finos de fluido. O modelo refinado do transdutor de aceleração MEMS é empregado como um problema de otimização de caráter complexo, os quais são resolvíveis por métodos de resolução de problemas de otimização robustos, baseados em técnicas estocásticas. Os métodos PSO (ParticleSwarmOptimization) e BH (Black Hole) são aplicados ao problema, visando melhoria de performance dinâmica, e simultaneamente, a redução do tamanho total do dispositivo. Como resultado, foram obtidos duas novas configurações para o transdutor de aceleração, preservando-se o mesmo processo de fabricação dentro dos limites tecnológicos aplicáveis ao mesmo.A caracterização do microacelerômetro MEMS, fabricado no âmbito do projeto ACELERAD é iniciada e são apresentados os modelos que permitem estimar algumas das principais variáveis do dispositivo. Adicionalmente, foram realizadas as primeiras medidas experimentais do dispositivo em território nacional.

Neste trabalho foram desenvolvidos sistemas de aquisição portáteis de formato esférico, capazes de sensoriar forças de compressão e impacto ao longo dos três eixos cartesianos. Os instrumentos desenvolvidos foram utilizados em diferentes experimentos feitos em estabelecimentos de beneficiamento de frutas (packinghouses) durante o processo de pós-colheita a fim de verificar os danos mecânicos sofridos pelas mesmas. Os instrumentos são sistemas microcontrolados compostos por quarto sensores (acelerômetros, célula de carga, temperatura e umidade), memória Flash para o armazenamento dos dados, transceptor de rádio freqüência e uma porta de comunicações serial universal (USB). A coleta, apresentação e processamentos dos dados obtidos foram feitos por um software desenvolvido em ambiente C++ para o sistema operacional Windows. Fortes forças de compressão e impacto foram registradas, sugerindo a necessidade de mudanças no processo de seleção (mecânica e manual), empacotamento e transporte de frutas. Quatro protótipos diferentes foram desenvolvidos, dois com cabos e dois sem. Os dispositivos provaram ser úteis, funcionando como esperado e o seu projeto modular permite o desenvolvimento de diferentes instrumentos. Os resultados obtidos propiciaram pesquisas relativas aos danos sofridos por frutas durante o processo de pós-colheita. / In this work, spherical shape portable data acquisition systems that are capable of sensing compression and impact forces along the three Cartesian axes were developed. The developed instruments were utilized in several different experiments done in fruit packinghouses during the post harvest process in order to check the mechanical damages they suffer. They are microcontrolled systems composed by four sensors (accelerometers, load cell, temperature and humidity), Flash memory for data storage, radio frequency transceiver and a universal serial bus (USB) communication port. The download, presentation and data processing were done by developed C++ software that runs in a Windows environment. Strong compression and impact forces were recorded, suggesting a need for changes in the mechanical and manual selection, packing and transportation of fruits. Four different prototypes were developed, two corded and two wireless versions. The devices developed were proven to be useful, worked as expected and their modular design permit future developments. The results allowed for different research concerning the damages suffered by the fruits, during the post harvest process.

Neste trabalho foram desenvolvidos sistemas de aquisição portáteis de formato esférico, capazes de sensoriar forças de compressão e impacto ao longo dos três eixos cartesianos. Os instrumentos desenvolvidos foram utilizados em diferentes experimentos feitos em estabelecimentos de beneficiamento de frutas (packinghouses) durante o processo de pós-colheita a fim de verificar os danos mecânicos sofridos pelas mesmas. Os instrumentos são sistemas microcontrolados compostos por quarto sensores (acelerômetros, célula de carga, temperatura e umidade), memória Flash para o armazenamento dos dados, transceptor de rádio freqüência e uma porta de comunicações serial universal (USB). A coleta, apresentação e processamentos dos dados obtidos foram feitos por um software desenvolvido em ambiente C++ para o sistema operacional Windows. Fortes forças de compressão e impacto foram registradas, sugerindo a necessidade de mudanças no processo de seleção (mecânica e manual), empacotamento e transporte de frutas. Quatro protótipos diferentes foram desenvolvidos, dois com cabos e dois sem. Os dispositivos provaram ser úteis, funcionando como esperado e o seu projeto modular permite o desenvolvimento de diferentes instrumentos. Os resultados obtidos propiciaram pesquisas relativas aos danos sofridos por frutas durante o processo de pós-colheita. / In this work, spherical shape portable data acquisition systems that are capable of sensing compression and impact forces along the three Cartesian axes were developed. The developed instruments were utilized in several different experiments done in fruit packinghouses during the post harvest process in order to check the mechanical damages they suffer. They are microcontrolled systems composed by four sensors (accelerometers, load cell, temperature and humidity), Flash memory for data storage, radio frequency transceiver and a universal serial bus (USB) communication port. The download, presentation and data processing were done by developed C++ software that runs in a Windows environment. Strong compression and impact forces were recorded, suggesting a need for changes in the mechanical and manual selection, packing and transportation of fruits. Four different prototypes were developed, two corded and two wireless versions. The devices developed were proven to be useful, worked as expected and their modular design permit future developments. The results allowed for different research concerning the damages suffered by the fruits, during the post harvest process.

Neste trabalho foram desenvolvidos sistemas de aquisição portáteis de formato esférico, capazes de sensoriar forças de compressão e impacto ao longo dos três eixos cartesianos. Os instrumentos desenvolvidos foram utilizados em diferentes experimentos feitos em estabelecimentos de beneficiamento de frutas (packinghouses) durante o processo de pós-colheita a fim de verificar os danos mecânicos sofridos pelas mesmas. Os instrumentos são sistemas microcontrolados compostos por quarto sensores (acelerômetros, célula de carga, temperatura e umidade), memória Flash para o armazenamento dos dados, transceptor de rádio freqüência e uma porta de comunicações serial universal (USB). A coleta, apresentação e processamentos dos dados obtidos foram feitos por um software desenvolvido em ambiente C++ para o sistema operacional Windows. Fortes forças de compressão e impacto foram registradas, sugerindo a necessidade de mudanças no processo de seleção (mecânica e manual), empacotamento e transporte de frutas. Quatro protótipos diferentes foram desenvolvidos, dois com cabos e dois sem. Os dispositivos provaram ser úteis, funcionando como esperado e o seu projeto modular permite o desenvolvimento de diferentes instrumentos. Os resultados obtidos propiciaram pesquisas relativas aos danos sofridos por frutas durante o processo de pós-colheita. / In this work, spherical shape portable data acquisition systems that are capable of sensing compression and impact forces along the three Cartesian axes were developed. The developed instruments were utilized in several different experiments done in fruit packinghouses during the post harvest process in order to check the mechanical damages they suffer. They are microcontrolled systems composed by four sensors (accelerometers, load cell, temperature and humidity), Flash memory for data storage, radio frequency transceiver and a universal serial bus (USB) communication port. The download, presentation and data processing were done by developed C++ software that runs in a Windows environment. Strong compression and impact forces were recorded, suggesting a need for changes in the mechanical and manual selection, packing and transportation of fruits. Four different prototypes were developed, two corded and two wireless versions. The devices developed were proven to be useful, worked as expected and their modular design permit future developments. The results allowed for different research concerning the damages suffered by the fruits, during the post harvest process.

Observa-se nos tempos atuais um crescente interesse e demanda por novas tecnologias de sensoriamento e interação. A monitoração, com o objetivo de reconhecimento de movimentos humanos, permite oferecer serviços personalizados em diferentes áreas, dentre elas a área de cuidados médicos. Essa monitoração pode ser realizada por meio de diferentes técnicas como o uso de câmeras de vídeo, instrumentação do ambiente onde o indivíduo habita, ou pelo uso de dispositivos pessoais acoplados ao corpo. Os dispositivos acoplados ao corpo apresentam vantagens como baixo custo, uso confortável, além de muitas vezes serem despercebidos pelo usuário, diminuindo a sensação de invasão de privacidade durante a monitoração. Além disso, o dispositivo sensor pode ser facilmente acoplado ao corpo pelo próprio usuário, tornando o seu uso efetivo. Deste modo, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema que emprega técnicas de inteligência computacional e um acelerômetro facilmente acoplado ao punho do usuário para efetuar, de maneira confortável e não invasiva, o reconhecimento de movimentos básicos da rotina de uma pessoa. Aplicando máquinas de vetores de suporte para classificar os sinais e a razão discriminante de Fisher para efetuar a seleção das características mais significativas, o sistema apresentou uma taxa de sucesso em torno de 93% no reconhecimento de movimentos básicos efetuados por indivíduos monitorados. O sistema apresenta potencialidade para ser integrado a um hardware embarcado de baixo custo, responsável pelo gerenciamento da aquisição dos dados e pelo encaminhamento das informações a um sistema de monitoramento ou armazenamento. As informações providas por este sistema podem ser destinadas à promoção da saúde e bem estar do indivíduo, bem como utilizadas em diagnósticos ou monitoramento remoto de pacientes em um ambiente de vida assistida. / Nowadays it is observed a growing interest and demand for new sensing technologies and interaction. Monitoring with the objective of recognizing human movements, allows us to offer personalized services in different areas, among them healthcare. This monitoring can be performed through the use of different techniques such as the use of video cameras, living environment instrumentation, or the use of personal devices attached to the body, also known as wearable devices. These wearable devices have some advantages such as low cost, comfortable to use, and are often unnoticed by the user, reducing the feeling of privacy invasion during the monitoring. In addition, the sensing device can be easily attached to the body by the user itself, making its use effective. Thus, this work presents the development of a system that uses computational intelligence techniques and an accelerometer which is easily attached to the users wrist to perform, in a comfortable and non-invasive manner, the recognition of basic movements of a persons routine. By applying support vector machines to classify the signals and Fishers discriminant ratio to select the most significant features, the system has shown a success rate of 93% in the recognition of basic movements performed by monitored individuals. The system has the potential to be integrated into a low-cost embedded hardware, which is responsible for managing the data acquisition and routing the movement data to a remote monitoring system or storage. The information provided by the system can be designed to promote the health and wellness of the individual, as well used in diagnostics or remote patient monitoring in an ambient assisted living (AAL).