Este trabalho apresenta a concepção, o projeto, o desenvolvimento e a validação experimental de uma plataforma robótica bioinspirada o robô KA\'I yxo com a habilidade de escalar árvores para aplicação em monitoramento ambiental. Tal motivação surgiu da necessidade crescente do estudo e do entendimento de ocorrências naturais pelas consequências envolvidas, muitas vezes trágicas. O monitoramento ambiental em larga escala e a dificuldade de acesso e cobertura de áreas significativas são fatores que indicam a importância e a utilidade de robôs nessas tarefas. O robô KA\'I yxo possui como aplicação primeira uma solução para aquisição de dados de radiação solar, temperatura, umidade e altitude, de maneira que a mesma seja uma ferramenta útil para pesquisadores, aplicação esta identificada como relevante para a pesquisa na área ambiental após visitas ao Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia INPA. O desenvolvimento da plataforma robótica bioinspirada exposto nesta tese apresenta a sua evolução, desde a versão inicial do robô Kamanbaré (seis versões), até a versão atual da plataforma KAI yxo (terceira versão). Para esta última, são expostos em detalhes os modelos mecânico e matemático. No modelo mecânico, a importante questão da mobilidade é considerada. O modelo matemático construído compreende a cinemática direta, a cinemática inversa, a definição da andadura e a dinâmica do robô. O texto contém também uma apresentação detalhada das arquiteturas de controle, de software e de hardware. A utilização de Geradores Centrais de Padrões (CPGs) é justificada e discutida em detalhes. O ajuste dos parâmetros da CPG é realizado por meio de um processo de otimização baseado na técnica de Times Assíncronos (A-Teams). Resultados experimentais obtidos com a plataforma robótica são apresentados e discutidos. / This work presents the conception, design, development and experimental validation of a bioinspired robotics platform the robot KA\'I yxo with the ability to climb trees for use in environmental monitoring. Such motivation arose from the growing need of studying and understanding the consequences of natural occurrences involved, often tragic. Environmental monitoring in large scale and the difficulty of access and coverage areas are significant factors that indicate the importance and the usefulness of robots in these tasks. As a first application, the robot KA\'I yxo represents a solution for data acquisition from solar radiation, temperature, humidity and altitude, so that it may be a useful tool for researchers. This application was identified as relevant to environmental research after visits to the National Institute of Amazonian Research INPA. The development of the bio-inspired robotics platform exposed in this thesis presents its evolution starting from the initial version of the robot Kamanbaré (six versions) and ending with the current version of KA\'I yxo platform (third version). For the latter, the mechanical and mathematical models are exposed in details. In the mechanical model, the important issue of mobility is considered. The mathematical model constructed comprises the forward kinematics, the inverse kinematics, the definition of the gait and the dynamics of the robot. The text also contains a detailed presentation of the control, software and hardware architectures. The use of Central Pattern Generators (CPGs) is justified and discussed. The tuning of the CPG parameters is performed by an optimization process based on the Asynchronous Teams (ATeams) technique. Experimental results obtained with the robotic platform are presented and discussed.

Orientador: Percival Bueno de Araujo / Resumo: Este trabalho apresenta o Novel Bat Algorithm com uma nova técnica para realizar o ajuste coordenado dos parâmetros de controladores suplementares de amortecimento (Estabilizadores de Sistemas de Potência e do conjunto Generalized Unified Power Flow Controller – Power Oscillation Damping) em sistemas elétricos de potência multimáquinas. O objetivo principal é inserir amortecimento adicional aos modos oscilatórios de baixa frequência e, consequentemente, garantir a estabilidade do sistema elétrico frente a pequenas perturbações. Para representar o sistema elétrico de potência será utilizado o Modelo de Sensibilidade de Potência. Desse modo, todos os seus dispositivos e componentes foram modelados por injeções de potência. Análises estáticas e dinâmicas foram realizadas em dois sistemas teste, sendo: o Sistema Simétrico de Duas Áreas e o Sistema New England. A eficiência do dispositivo FACTS Generalized Unified Power Flow Controller atuando em conjunto com uma estrutura de controle baseada em controladores Proporcional – Integral foi criteriosamente avaliada para o controle de fluxos de potências ativa e reativa, para a melhoria do perfil de tensão do sistema elétrico e na redução das perdas no sistema de transmissão. O desempenho do Novel Bat Algorithm, no que concerne ao ajuste dos parâmetros dos controladores, foi comparado a outros quatro algoritmos bio-inspirados bastante difundidos na literatura: Particle Swarm Optimization, Bacterial Foragim Optimization, Bat Algorithm e... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work presents the Novel Bat Algorithm as a new technique for the to perform the coordinated tuning of the parameters of the supplementary damping controllers (Power Systems Stabilizers and Generalized Unified Power Flow Controller - Power Oscillation Damping) in multi-machine electric power systems. The main objective is to insert damping to low-frequency oscillations and thus ensure the stability of the electrical system against minor disturbances. The Power Sensitivity Model is used to represent the system. Thus, all devices and their components are modeled by power injection. Static and dynamic analyzes were performed in the two systems: the two-areas symmetric, and the New England. The performance of the proposed methodology (Novel Bat Algorithm), for tuning of the parameters of the controllers was compared to four other algorithms, presented in the literature: The Particle Swarm Optimization method, Bacterial Foraging Optimization method, Bat Algorithm method and a Genetic Algorithm with elitism. The results demonstrated that the Novel Bat Algorithm was more effective than the other techniques presented, generating robust solutions when variations on the scenarios of loads were considered, and therefore accredited it as a tool in the analysis of the study of small-signal stability. / Doutor

Submitted by Ednei Luiz Miotto (edneimiotto@utfpr.edu.br) on 2018-11-05T12:58:43Z No. of bitstreams: 1 TESE EDNEI LUIZ MIOTTO.pdf: 5057627 bytes, checksum: 74b7d6f2bd477e7e02941873ca291fa3 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-11-08T19:07:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 miotto_el_dr_ilha.pdf: 5057627 bytes, checksum: 74b7d6f2bd477e7e02941873ca291fa3 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-08T19:07:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 miotto_el_dr_ilha.pdf: 5057627 bytes, checksum: 74b7d6f2bd477e7e02941873ca291fa3 (MD5) Previous issue date: 2018-10-18 / Este trabalho apresenta o Novel Bat Algorithm com uma nova técnica para realizar o ajuste coordenado dos parâmetros de controladores suplementares de amortecimento (Estabilizadores de Sistemas de Potência e do conjunto Generalized Unified Power Flow Controller – Power Oscillation Damping) em sistemas elétricos de potência multimáquinas. O objetivo principal é inserir amortecimento adicional aos modos oscilatórios de baixa frequência e, consequentemente, garantir a estabilidade do sistema elétrico frente a pequenas perturbações. Para representar o sistema elétrico de potência será utilizado o Modelo de Sensibilidade de Potência. Desse modo, todos os seus dispositivos e componentes foram modelados por injeções de potência. Análises estáticas e dinâmicas foram realizadas em dois sistemas teste, sendo: o Sistema Simétrico de Duas Áreas e o Sistema New England. A eficiência do dispositivo FACTS Generalized Unified Power Flow Controller atuando em conjunto com uma estrutura de controle baseada em controladores Proporcional – Integral foi criteriosamente avaliada para o controle de fluxos de potências ativa e reativa, para a melhoria do perfil de tensão do sistema elétrico e na redução das perdas no sistema de transmissão. O desempenho do Novel Bat Algorithm, no que concerne ao ajuste dos parâmetros dos controladores, foi comparado a outros quatro algoritmos bio-inspirados bastante difundidos na literatura: Particle Swarm Optimization, Bacterial Foragim Optimization, Bat Algorithm e o Algoritmo Genético com Elitismo. Os resultados demonstraram que o Novel Bat Algorithm foi mais eficiente que as demais técnicas avaliadas, obtendo soluções com amortecimento satisfatório, mesmo quando variações nos cenários de carregamento do sistema são consideradas, sendo, portanto, credenciado como ferramenta promissora para a análise da estabilidade a pequenas perturbações em sistemas elétricos de potência multimáquinas. / This work presents the Novel Bat Algorithm as a new technique for the to perform the coordinated tuning of the parameters of the supplementary damping controllers (Power Systems Stabilizers and Generalized Unified Power Flow Controller - Power Oscillation Damping) in multi-machine electric power systems. The main objective is to insert damping to low-frequency oscillations and thus ensure the stability of the electrical system against minor disturbances. The Power Sensitivity Model is used to represent the system. Thus, all devices and their components are modeled by power injection. Static and dynamic analyzes were performed in the two systems: the two-areas symmetric, and the New England. The performance of the proposed methodology (Novel Bat Algorithm), for tuning of the parameters of the controllers was compared to four other algorithms, presented in the literature: The Particle Swarm Optimization method, Bacterial Foraging Optimization method, Bat Algorithm method and a Genetic Algorithm with elitism. The results demonstrated that the Novel Bat Algorithm was more effective than the other techniques presented, generating robust solutions when variations on the scenarios of loads were considered, and therefore accredited it as a tool in the analysis of the study of small-signal stability.

Este trabalho apresenta a concepção, o projeto, o desenvolvimento e a validação experimental de uma plataforma robótica bioinspirada o robô KA\'I yxo com a habilidade de escalar árvores para aplicação em monitoramento ambiental. Tal motivação surgiu da necessidade crescente do estudo e do entendimento de ocorrências naturais pelas consequências envolvidas, muitas vezes trágicas. O monitoramento ambiental em larga escala e a dificuldade de acesso e cobertura de áreas significativas são fatores que indicam a importância e a utilidade de robôs nessas tarefas. O robô KA\'I yxo possui como aplicação primeira uma solução para aquisição de dados de radiação solar, temperatura, umidade e altitude, de maneira que a mesma seja uma ferramenta útil para pesquisadores, aplicação esta identificada como relevante para a pesquisa na área ambiental após visitas ao Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia INPA. O desenvolvimento da plataforma robótica bioinspirada exposto nesta tese apresenta a sua evolução, desde a versão inicial do robô Kamanbaré (seis versões), até a versão atual da plataforma KAI yxo (terceira versão). Para esta última, são expostos em detalhes os modelos mecânico e matemático. No modelo mecânico, a importante questão da mobilidade é considerada. O modelo matemático construído compreende a cinemática direta, a cinemática inversa, a definição da andadura e a dinâmica do robô. O texto contém também uma apresentação detalhada das arquiteturas de controle, de software e de hardware. A utilização de Geradores Centrais de Padrões (CPGs) é justificada e discutida em detalhes. O ajuste dos parâmetros da CPG é realizado por meio de um processo de otimização baseado na técnica de Times Assíncronos (A-Teams). Resultados experimentais obtidos com a plataforma robótica são apresentados e discutidos. / This work presents the conception, design, development and experimental validation of a bioinspired robotics platform the robot KA\'I yxo with the ability to climb trees for use in environmental monitoring. Such motivation arose from the growing need of studying and understanding the consequences of natural occurrences involved, often tragic. Environmental monitoring in large scale and the difficulty of access and coverage areas are significant factors that indicate the importance and the usefulness of robots in these tasks. As a first application, the robot KA\'I yxo represents a solution for data acquisition from solar radiation, temperature, humidity and altitude, so that it may be a useful tool for researchers. This application was identified as relevant to environmental research after visits to the National Institute of Amazonian Research INPA. The development of the bio-inspired robotics platform exposed in this thesis presents its evolution starting from the initial version of the robot Kamanbaré (six versions) and ending with the current version of KA\'I yxo platform (third version). For the latter, the mechanical and mathematical models are exposed in details. In the mechanical model, the important issue of mobility is considered. The mathematical model constructed comprises the forward kinematics, the inverse kinematics, the definition of the gait and the dynamics of the robot. The text also contains a detailed presentation of the control, software and hardware architectures. The use of Central Pattern Generators (CPGs) is justified and discussed. The tuning of the CPG parameters is performed by an optimization process based on the Asynchronous Teams (ATeams) technique. Experimental results obtained with the robotic platform are presented and discussed.