Modelos híbridos são uma poderosa abstração utilizada para representar sistemas híbridos, que consistem de uma combinação de sistemas com dinâmica contínua e discreta. A natureza híbrida de um sistema pode ser resultante da atuação de um controle discreto sobre uma unidade de produção de natureza contínua ou da dinâmica da unidade em si. Um sistema híbrido é muito geral, uma vez que contêm tanto sistemas discretos quanto sistemas contínuos como casos particulares. Existem várias propostas de abordagem para a análise e síntese de estratégias de controle para tais sistemas. Podemos encontrá-las na literatura e citamos algumas alternativas no corpo deste trabalho. Este trabalho propicia a avaliação da aplicabilidade e desempenho de técnicas de aprendizado autônomo (baseadas em Aprendizado por Reforço) a um problema tipicamente formalizado como de controle híbrido. É adotado como estudo de caso um problema de Gerenciamento de Tráfego Aéreo (GTA) atuando sobre dois aviões em situação de colisão iminente. O problema em questão é de difícil modelagem no caso mais geral, o que motiva o uso de técnicas model-free tais como Aprendizado por Reforço (AR) para a sua solução. Apresentamos o projeto de um controlador aprendiz com estratégia de aplicação de reforços visando unicamente afastar um avião do outro e a sua atuação sobre: a) a velocidade angular; b) a velocidade linear e c) as velocidades angular e linear em conjunto. Fazemos um estudo sobre a indução de ruídos nas variáveis de controle. Por fim, apresentamos uma modificação do projeto do controlador incluindo uma estratégia de manutenção da rota, e em seguida comparamos os resultados aos obtidos por técnicas de controle híbrido.

Este trabalho apresenta os modelos físicos e aerodinâmicos para uma bomba guiada. Adicionalmente, são apresentados os modelos atmosféricos, de vento e de atuadores. O estudo é realizado com as equações do movimento com três graus de liberdade. Sob considerações práticas e restrições de desempenho, pode-se determinar as regiões de lançamento aceitável Uma otimização não-linear das leis de guiamento é proposta para assegurar que estas regiões sejam tão grandes quanto possíveis. Diferentes leis de guiamento são analisadas e seus desempenhos comparados. Um autopiloto é então projetado para executar os sinais de referência fornecidos pelo sistema de guiamento. A planta não-linear é estudada e é desenvolvido um controlador com escalonamento de ganhos por alocação de pólos. O controlador é protegido por um esquema de "anti-windup", evitando a divergência dos integradores na presença de saturações. O desempenho global do sistema é avaliado por simulações de Monte Carlo aplicadas ao modelo não-linear completo com três graus de liberdade. Considera-se vento cortante, turbulência, rajadas e modelos de erros de medida com propriedades estatísticas apropriadas.

Esta dissertação apresenta o projeto, a construção e a avaliação experimental de uma plataforma móvel autônoma construída para atender os seguintes requisitos: 1) seguir uma trajetória previamente planejada utilizando para isto uma fusão entre as informações provenientes da sua odometria e dos marcos externos artificiais distribuídos no ambiente, e 2) transmitir em tempo real informações relativas à postura (posição + orientação) estimada pela plataforma para um computador base. As informações provenientes da odometria da plataforma são obtidas utilizando encoders incrementais ópticos construídos em rodas auxiliares. A informação proveniente dos marcos externos é obtida a partir de 5 sensores de infravermelho que detectam segmentos de faixa branca (grade reticulada com diagonais) colocados sobre piso preto. São implementados dois algoritmos embarcados, um algoritmo de controle e um algoritmo de estimação da trajetória realizada pela plataforma. O algoritmo de controle é utilizado para corrigir a orientação da plataforma ao longo da trajetória realizada. O algoritmo de estimação calcula a postura (posição + orientação) da plataforma no ambiente e envia o resultado para o computador base em tempo real. Os resultados experimentais mostram que os algoritmos de controle e estimação da trajetória efetivamente: 1) fazem a plataforma seguir a trajetória planejada com pequenos erros e 2) evitam o acúmulo do erro de odometria decorrente do uso do método de dead-reckoning.

Neste trabalho discute-se o problema de modelagem dinâmica não-linear e o controle de turbinas a gás. O processo de modelagem leva em consideração as peculiaridades dos componentes básicos deste tipo de motor: compressor, câmara de combustão e turbina. Cada subsistema é estudado e depois integrado para compor um modelo não-linear de uma turbina a gás. O objetivo do sistema de controle projetado é regular a rotação do eixo, após solicitação de carga ao sistema, respeitando limites de esforço de controle e temperatura de operação da turbina. O modelo do compressor é baseado no trabalho de Gravdahl e Egeland e, basicamente, refere-se ao modelo de Moore-Greitzer para sistemas de compressão axiais, considerando a dinâmica de eixo nas equações. O modelo termodinâmico de câmara de combustão incorpora as equações de balanço de energia e de massa, utilizando o metano (CH4) como combustível. O modelo de turbina representa apenas a transformação da temperatura e vazão mássica do fluido de trabalho, em potência transmitida ao eixo. A função do controlador é regular a velocidade de rotação, sujeita a uma perturbação de carga, e, simultaneamente, respeitar a capacidade dos atuadores e os limites físicos construtivos do motor, evitando danos permanentes. Para isto são avaliadas diferentes estratégias de controle. A primeira diz respeito à injeção de combustível na câmara de combustão como variável de controle, a segunda usa injeção de ar com temperatura controlada e a terceira discute o problema multivariável e incorpora, à injeção de combustível, o controle do IGV (inlet guide vanes) que se refere à variação de geometria do compressor permitindo, assim, melhor regulação. Os parâmetros do controlador, para tanto, são ajustados por meio de técnicas de otimização não lineares (Nelder-Mead). Para permitir que modificações de parâmetros, estrutura de simulação e técnicas de integração sejam feitas de forma mais rápida e intuitiva, a estrutura modular é implementada em ambiente MATLAB/SIMULINK.

Este trabalho é uma continuidade das pesquisas na área de mecatrônica aplicada à medicina do ITA, e tem como objetivo modelar numericamente a distribuição de temperaturas em ossos, durante a cirurgia de osteotomia de tíbia, realizada com o auxílio de uma serra mecatrônica ortopédica. Durante o processo cirúrgico a temperatura do osso deve ser controlada para evitar sua necrose térmica devido à alta temperatura, principalmente se a cirurgia for realizada com recursos de automação. Para se modelar a distribuição de temperatura durante o corte, é necessário conhecer o fluxo de calor gerado devido ao atrito durante o tempo de corte. Para tanto, devem ser conhecidos alguns parâmetros operacionais do equipamento robótico da qual a serra é parte componente, quais sejam, velocidade de avanço da serra, velocidade semi-rotativa das lâminas, e o tempo total de corte, e algumas propriedades físicas do osso: condutividade térmica, densidade, difusividade térmica e tensão de cisalhamento. A partir desses parâmetros, este trabalho apresenta a modelagem do fluxo de calor serra/osso durante o corte do osso. Posteriormente, o fluxo de calor calculado é utilizado como condição de contorno para resolver a equação diferencial da temperatura dada pela equação da condução de calor, que é avaliada, de forma qualitativa, bidimensionalmente e em regime transitório. Finalmente, conhecendo-se o valor da temperatura ao longo do osso durante o corte, é possível manter esse valor nos limites aceitáveis, por meio do monitoramento das variáveis do procedimento cirúrgico, evitando-se conseqüentemente, a necrose térmica do osso.

O trabalho consiste na implementação e na análise da lei de controle TECS (Total Energy Control System) em sistemas de automanete. Objetivando-se estabelecer uma comparação de desempenho, foram implementados, ainda, mais dois tipos de controladores (de velocidade e de ângulo de trajetória) baseados em leis de controle convencionais. Os modelos não-linear e linear e as topologias de controle utilizadas foram desenvolvidas através do software MatLab/Simulink (versão R13). Os ganhos dos controladores foram encontrados por meio de algoritmos de otimização, baseados nos índices de desempenho comumente utilizados na indústria aeronáutica. Visando-se a praticidade no manuseio dos modelos aeronáuticos em estudo, foi desenvolvida também uma ferramenta de interface com o usuário, capaz de demonstrar o comportamento dos modelos longitudinais de duas aeronaves conhecidas no mercado, em três pontos distintos do envelope de vôo.

Inserido no contexto do controle ambiental de cabine das aeronaves, este trabalho tem por objetivos a construção de um modelo matemático do sistema de controle de pressão da cabine e simulação do mesmo para algumas condições de interesse em projeto. O desenvolvimento do modelo ée baseado em um documento de recomendação da SAE (ARP 1270) com adoção de algumas modificações, tendo em vista a aplicação do modelo a uma aeronave de estudo com fins acadêmicos. Obtido o sistema de controle de pressão de cabine para esta aeronave, são simulados um caso de operação em vôo normal (subida, cruzeiro e descida) e alguns casos de falha do sistema. O primeiro evento de falha corresponde ao travamento da válvula de exaustão na posição totalmente aberta, ocasionando despresurização de cabine. O segundo caso refere-se ao travamento da mesma na posição fechada, com aumento progressivo da pressão de cabine, e o terceiro a perda total do sistema pneumático, outro caso de despressurização. Os casos analisados acima são de grande interesse na análise inicial do sistema, permitindo o projeto preliminar do perfil de descida de emergência da aeronave (caso de despressurização) e da válvula de segurança contra grandes diferenciais de pressão na cabine pressurizada (caso de falha fechada da válvula de exaustão).

Essa dissertação apresenta o desenvolvimento de um protótipo de Dispositivo Rastreador (Eye Tracker) que permite a interação entre o usuário e o computador através dos movimentos oculares. O Rastreio Ocular (Eye Tracking) é o principal estudo dessa dissertação. Através de técnicas de Processamento Digital de Imagens procuramos detectar o Ponto de Interesse (Point of Regard) do usuário na tela do seu computador. O nosso protótipo foi desenvolvido com base nas técnicas de Foto-Oculografia e Vídeo-Oculografia, onde é possível detectar a íris do usuário em imagens e vídeos capturados em tempo real. O principal problema na utilização da íris para detectar o Ponto de Interesse do usuário, é obter um bom grau de precisão vertical mesmo nas imagens capturadas com a íris parcialmente coberta pelas pálpebras. A solução adotada foi a utilização dos algoritmos de detecção de círculos baseados na Transformada de Hough, onde além de detectar a íris com bom grau de precisão, foi possível obter uma taxa de processamento de 93 milissegundos por imagem analisada. O hardware do Dispositivo Rastreador foi montado artesanalmente, fixando o Dispositivo de Captura de Vídeo no visor direito de um óculos de proteção industrial. Em conjunto com o hardware, foram desenvolvidos softwares para permitir que Portadores de Necessidades Especiais possam emular o uso dos dispositivos de entrada padrão do computador (mouse e teclado) através dos movimentos oculares. Os principais sistemas criados foram: o "Mouse Óptico Ocular" e o "Teclado Óptico Ocular". O Mouse Óptico Ocular posiciona o cursor do mouse na região observada pelo usuário na tela do computador e o Teclado Óptico Ocular digita seqüências de caracteres através do mapeamento dos movimentos oculares do usuário. Ao final dessa dissertação, testes mostraram a eficácia dos modelos adotados no desenvolvimento do nosso protótipo e a possibilidade real do Dispositivo Rastreador auxiliar na Inclusão Digital de indivíduos sem a mobilidade dos seus membros superiores.

This work presents the application of the Linear Quadratic Tracker (LQT) for the automatic landing system of passenger transport airplanes. The design method to achieve an autoland flare law with improved performance and disturbance rejection is described. With this method the design is direct and more formal thus avoiding the somewhat time consuming and more ad-hoc design iterations currently practice in industry. Although the design technique has been used for a autoland system, the approach is general enough to be used in other control applications. The structure of a traditional flare controller used for transport airplane and the LQT flare controller are presented. The performance of the flare control law designed based on LQT is compared against the performance of a traditional flare control law. Simulation time histories and Monte Carlo simulation results are presented. The time histories simulations cover the nominal and the most adverse conditions anticipated during the operation of the autoland system. The results show that the LQT law provides a more accurate path control and better disturbance rejection. The Monte Carlo simulation was made according to the certification requirements of an autoland system. The results show that the LQT controller provides reduced touchdown dispersion for the sink rate and distance at touchdown. The automatic landing system using LQT complies easily with the certification requirements, whereas the traditional system based on the classical design of autopilot inner loop/outer loop meets the certification requirements with smaller margins.

Sistemas de pouso automático vêm sendo utilizados com sucesso desde 1960. Seu emprego permite às companhias aéreas operar em condições de baixa visibilidade com extrema segurança e confiabilidade. Os impactos econômicos destas operações são relevantes, justificando os altos custos de desenvolvimento, manutenção e treinamento associados a tais sistemas. A função por eles desempenhada ée talvez a mais crítica das funções de controle automático presente em uma aeronave moderna, e por isso continua a ser um dos maiores desafios de engenharia de controle na indústria aeronáutica. Os requisitos aplicáveis de performance, segurança, confiabilidade e monitoramento por parte dos pilotos, associados à busca constante por baixos custos das companhias aéreas, resultam em um cenário de constante evolução tecnológica destes sistemas. Dentro deste contexto, o presente trabalho tem como objetivo apresentar um método de projetar um sistema de controle longitudinal automático para a fase de arredondamento de maneira simples, rápida e direta, para obter um sistema robusto e com boa performance. O modelo para simulação foi obtido a partir do conceito de derivadas aerodinâmicas de estabilidade. A estratégia de controle adotada emprega conceitos de controle moderno em uma arquitetura que permite avaliar facilmente diversas estruturas de controlador. Os ganhos do controlador são obtidos automaticamente por um algoritmo de otimização baseado na resposta temporal do sistema. A ênfase do trabalho de engenharia deste método está na escolha da estrutura do controlador e dos critérios de otimização. A trajetória de comando adotada se baseia numa trajetória fixa no espaço explicitamente definida como uma função da distância longitudinal percorrida. Este conceito reduz drasticamente a dispersão do ponto de toque e da velocidade vertical no pouso causada por variações nas condições atmosféricas e nas características da aeronave. A robustez do controlador resultante foi testada frente a diversos parâmetros que sabidamente influenciam a performance de um sistema de pouso automático na vida real.