A operação dinamicamente estável com zonas conjuntas foi obtida para um ressonador laser contendo dois bastões de Nd:YAG com módulos laser comerciais. O ressonador não polarizado gerou 115 W de potência no modo transversal fundamental TEM00. Quando polarizado por lâmina de Brewster atingiu 100,5W de potência de saída com 91% de polarização. Quando o ressonador foi polarizado com um polarizador de filme fino, obteve-se melhora na qualidade de feixe e um aumento na polarização, com o valor de M2 sendo 1,56 e 1,84 nas direções x e y respectivamente com 95,4% de polarização. A potência de saída foi, ao nosso conhecimento, a mais alta obtida para lasers polarizados operando no modo fundamental e usando módulos lasers comerciais de Nd:YAG bombeados lateralmente por diodos sem nenhuma preparação especial. / Dynamically stable operation with joined stability zones of a linearly polarized resonator is shown for a laser containing two diode side-pumped Nd:YAG rods with commercial laser modules. The unpolarised resonator provided 115 W of TEM00 output. When polarized by a Brewster plate, it reached 100.5 W of output power with 91% polarization. When the resonator was polarized by a thin film polarizer, an increase in beam quality was obtained with M2 values of 1.56 and 1.84 in the x and y directions, respectively with 95.4% polarization. The output power achieved is, to our knowledge, the highest reported for polarized, fundamental-mode lasers using commercial, diode side-pumped Nd:YAG modules without any special preparation.

A operação dinamicamente estável com zonas conjuntas foi obtida para um ressonador laser contendo dois bastões de Nd:YAG com módulos laser comerciais. O ressonador não polarizado gerou 115 W de potência no modo transversal fundamental TEM00. Quando polarizado por lâmina de Brewster atingiu 100,5W de potência de saída com 91% de polarização. Quando o ressonador foi polarizado com um polarizador de filme fino, obteve-se melhora na qualidade de feixe e um aumento na polarização, com o valor de M2 sendo 1,56 e 1,84 nas direções x e y respectivamente com 95,4% de polarização. A potência de saída foi, ao nosso conhecimento, a mais alta obtida para lasers polarizados operando no modo fundamental e usando módulos lasers comerciais de Nd:YAG bombeados lateralmente por diodos sem nenhuma preparação especial. / Dynamically stable operation with joined stability zones of a linearly polarized resonator is shown for a laser containing two diode side-pumped Nd:YAG rods with commercial laser modules. The unpolarised resonator provided 115 W of TEM00 output. When polarized by a Brewster plate, it reached 100.5 W of output power with 91% polarization. When the resonator was polarized by a thin film polarizer, an increase in beam quality was obtained with M2 values of 1.56 and 1.84 in the x and y directions, respectively with 95.4% polarization. The output power achieved is, to our knowledge, the highest reported for polarized, fundamental-mode lasers using commercial, diode side-pumped Nd:YAG modules without any special preparation.

Sistemas Dinamicamente Reconfiguráveis (SDRs) tem sido aceitos como alternativa importante para diminuir os custos de circuitos digitais. Porém, eles adicionam novas dimensões no projeto de Sistemas sobre Silício (System-On-Chip, SoC). Apesar de novas metodologias terem sido propostas por fabricantes de FPGA para lidar com a complexidade deste tipo de circuitos, as soluções ainda são muito específicas. Considerando-se que o uso de recursos de comunicação robustos em SoCs complexos atuais é generalizado, os meios de comunicação estruturados, como rede Intrachips (Network-On-Chip, NoCs), foram incluídas em sistemas dinamicamente reconfiguráveis, gerando-se arquiteturas de SDRs baseadas em NoCs, ou de SDR-NoCs. Arquiteturas de SDR-NoCs podem ser simples ou complexas. As arquiteturas de SDR-NoCs simples são aquelas com topogias regulares e diretas e Módulos Processantes (MPs) homogêneos. As arquiteturas de SDR-NoCs complexas são aquelas com topologias irregulares e indiretas com MPs heterogêneos. O mapeamento é a fase no fluxo de projeto do SoC que visa encontrar a melhor localização das unidades de processamento da aplicação junto à topologia da NoC, de tal forma que as métricas de interesse podem ser otimizadas. O problema do posicionamento lida com a alocação otimizada de recursos (cores) dentro do dispositivo reconfigurável. No mapeamento de SDR-NoCs, a capacidade de reconfiguração no tempo acrescenta uma nova dimensão ao problema de mapeamento, uma vez que diferentes cores são atribuídos ao mesmo roteador, mas estão presentes no dispositivo em momentos distintos. Para arquiteturas de SDR-NoCs complexas, o problema de mapeamento está fortemente associado ao problema do posicionamento e convém tratá-los em conjunto. Até o presente momento, o problema de mapeamento e posicionamento para SDR-NoCs não tem sido tratados adequadamente. Neste trabalho são apresentadas soluções para o mapeamento e/ou posicionamento de MPs para arquiteturas SDR-NoCs tanto simples quanto complexas. Primeiramente, uma estratégia de mapeamento é proposta para arquiteturas simples, de uma forma que torna possível a utilização de estratégias de mapeamento clássicas anteriores (sem reconfiguração) para SDRs. Os resultados mostram a redução de até 38%, no atraso médio da NoC e de até 41% de economia de energia comparando a melhor solução com a média de soluções aleatórias. Em uma segunda fase, o problema de mapeamento e posicionamento são tratados em conjunto para arquiteturas SDR-NoCs complexas: uma formalização do problema é proposta e um algoritmo exato, semi-exaustivo, é implementado e utilizado para a a sua análise. Devido à alta complexidade do problema, um segundo algoritmo genético (Genetic Algorithm, GA) foi implementado para que casos maiores possam ser resolvidos. Vários tipos de crossover e metodologias de GAs são comparadas para se obter a melhor solução. Os resultados mostram que a melhor solução GA obteve, em média, custos de comunicação com 4% de penalidade quando comparada com a melhor solução, sendo que o algoritmo apresenta bons tempos de execução. / Dynamic Reconfigurable Systems (DRSs) have been accepted as an important alternative for lowering costs of digital circuits. However, they add new dimensions to the system-on-chip (SoC) design space. Although new methodologies have been proposed by Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) manufacturers to deal with the increased design complexity in this class of circuits, solutions to the algorithmic and block level design are still very ad-hoc. Considering the generalized use of robust communication resources in current complex SoCs, structured communication means, as network-on-chips (NoCs), have been included in dynamic reconfigurable systems generating DRSs based on NoCs, or DRS-NoCs, under different architectures. DRS-NoC architectures can be simple or complex. Simple DRS-NoCs architectures refer to regular and direct NoC topologies, with homogeneous Processing Modules (PMs). Complex DRS-NoCs architectures refer to irregular and undirected NoC topologies, with heterogeneous MPs. Mapping is the step in the SoC design flow which aims to find the best topological location for the application processing units onto the NoC topology, such that the metrics of interest can be greatly optimized. The placement problem deals with the optimized allocation of resources (cores) inside the reconfigurable device. In DRS-NoCs mapping, the on-going reconfiguration capability adds a new dimension to the mapping problem, since different cores are assigned to the same router, but being present in the in the logic fabric in separate moments. Furthermore, in complex DRS-NoC architectures the mapping problem is strongly associated with the placement one, and they should be dealt concurrently. To the date, the mapping and placement problems have not been properly addressed for those kind of architectures. In this work solutions are presented for hardware core placement and/or mapping for both simple and complex DRS-NoC architectures. Firstly, a mapping strategy is proposed for simple architectures, in a way that makes it possible to use previous classic mapping strategies (without reconfiguration) for DRSs. Results show reductions up to 38% on the average NoC delay and up to 41% of energy saving when comparing the best solution with average random solutions. In the second phase, the mapping and placement problems are dealt concurrently for DRS-NoC complex architectures: the problem formalization is proposed and for its analysis, an exact, and semi-exaustive, algorithm is implemented and applied. Due to the high complexity associated to the problem, an Genetic Algorithm (GA) was implemented to deal with larger cases. Several GAs crossovers and methodologies are compared for obtaining the best solution. Results show that best GA solution obtained, in average, communication costs with 4% of penalty when compared with best solution. In addition, the algorithm presents low execution times.

Robôs manipuladores vem desempenhando um importante papel em operações orbitais, e isso foi possível devido ao grande avanço da robótica espacial nas últimas décadas. Porém, o planejamento do movimento ainda é considerado um dos maiores desafios nesse campo, embora diversos métodos e considerações tenham sido propostas para resolver esse problema. As primeiras contribuições na área de planejamento de movimento dependiam de uma representação explícita do espaço de configuração do robô. Dessa forma, o planejamento de movimento para sistemas robóticos com muitos graus de liberdade era impraticável. Para lidar com esse problema, surgiram os métodos baseados em amostragem, dentre eles, o método de Árvore Aleatória de Exploração Rápida - RRT (do inglês, Rapidly- Exploring Random Tree). Estes métodos, ao invés da construção de todo o conjunto de configurações livre de colisões, requerem apenas a verificação de colisão com obstáculos para um conjunto discreto e finito de configurações do robô. Consequentemente, para este tipo de problema, são métodos mais vantajosos em termos computacionais. Com esta motivação, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um planejador de rota e de um planejador de trajetória para um robô manipulador espacial de base livre flutuante com dois braços, ambos planejadores com suporte a desvio de obstáculos estáticos. O conceito de manipulador dinamicamente equivalente é utilizado para modelar o manipulador espacial. Isso permite que o planejamento seja feito para um manipulador de base fixa subatuado dinamicamente equivalente ao manipulador de base livre flutuante. Os algoritmos baseados em amostragem RRT* e RRTControl disponibilizados na biblioteca OMPL (do inglês, Open Motion Planning Library) foram adaptados para resolver este problema de planejamento. O algoritmo RRT* é usado para o planejamento de rota, e o RRTControl para o planejamento de trajetória. Ambos planejadores utilizam o espaço de configuração das juntas do robô. Para possibilitar que a orientação e posição final dos dois efetuadores do robô pudessem ser especificadas no espaço da tarefa, um algoritmo de cinemática inversa baseado em algoritmo genético também foi desenvolvido para encontrar a solução da cinemática inversa do manipulador. / Robot manipulator has played an important role in orbital missions and this was possible due to the advance of space robotics in recent decades. However, motion planning is still considered one of the biggest challenges of the field though various methods and considerations were proposed by researchers to handle this problem. The first contributions in this field were dependent on an explicit representation of the free configuration space. Consequently, it was impractical to solve the motion planning problem for robotic systems with many degrees of freedom. In order to cope with this limitation, sampling-based methods were proposed, in particular, the Rapidly-Exploring Random Tree – RRT. Sampling-based methods only requires a procedure to verify collision with obstacles for a discrete amount of robot configuration during planning. Therefore, they are more advantageous in computational terms. In this work a path planner and a trajectory planner were developed for a free-floating planar manipulator with two arms with support for static obstacle avoidance. The Dynamically Equivalent Manipulator approach was used for modelling the robot. Thus, the planners were developed based on a fixed-base underactuated manipulator model which is dynamically equivalent to the free-floating manipulator. The sampling-based algorithms RRT* and RRTControl of the Open Motion Planning Library (OMPL) were adapted to solve this motion planning problem. The RRT* were used for path planning, and the RRTControl for trajectory planning, both carried out in the robot joint space. As the desired orientations and positions of the two end-effectors were specified in the task-space, a genetic algorithm was also developed to compute the inverse kinematics of the manipulator.

Sistemas Dinamicamente Reconfiguráveis (SDRs) tem sido aceitos como alternativa importante para diminuir os custos de circuitos digitais. Porém, eles adicionam novas dimensões no projeto de Sistemas sobre Silício (System-On-Chip, SoC). Apesar de novas metodologias terem sido propostas por fabricantes de FPGA para lidar com a complexidade deste tipo de circuitos, as soluções ainda são muito específicas. Considerando-se que o uso de recursos de comunicação robustos em SoCs complexos atuais é generalizado, os meios de comunicação estruturados, como rede Intrachips (Network-On-Chip, NoCs), foram incluídas em sistemas dinamicamente reconfiguráveis, gerando-se arquiteturas de SDRs baseadas em NoCs, ou de SDR-NoCs. Arquiteturas de SDR-NoCs podem ser simples ou complexas. As arquiteturas de SDR-NoCs simples são aquelas com topogias regulares e diretas e Módulos Processantes (MPs) homogêneos. As arquiteturas de SDR-NoCs complexas são aquelas com topologias irregulares e indiretas com MPs heterogêneos. O mapeamento é a fase no fluxo de projeto do SoC que visa encontrar a melhor localização das unidades de processamento da aplicação junto à topologia da NoC, de tal forma que as métricas de interesse podem ser otimizadas. O problema do posicionamento lida com a alocação otimizada de recursos (cores) dentro do dispositivo reconfigurável. No mapeamento de SDR-NoCs, a capacidade de reconfiguração no tempo acrescenta uma nova dimensão ao problema de mapeamento, uma vez que diferentes cores são atribuídos ao mesmo roteador, mas estão presentes no dispositivo em momentos distintos. Para arquiteturas de SDR-NoCs complexas, o problema de mapeamento está fortemente associado ao problema do posicionamento e convém tratá-los em conjunto. Até o presente momento, o problema de mapeamento e posicionamento para SDR-NoCs não tem sido tratados adequadamente. Neste trabalho são apresentadas soluções para o mapeamento e/ou posicionamento de MPs para arquiteturas SDR-NoCs tanto simples quanto complexas. Primeiramente, uma estratégia de mapeamento é proposta para arquiteturas simples, de uma forma que torna possível a utilização de estratégias de mapeamento clássicas anteriores (sem reconfiguração) para SDRs. Os resultados mostram a redução de até 38%, no atraso médio da NoC e de até 41% de economia de energia comparando a melhor solução com a média de soluções aleatórias. Em uma segunda fase, o problema de mapeamento e posicionamento são tratados em conjunto para arquiteturas SDR-NoCs complexas: uma formalização do problema é proposta e um algoritmo exato, semi-exaustivo, é implementado e utilizado para a a sua análise. Devido à alta complexidade do problema, um segundo algoritmo genético (Genetic Algorithm, GA) foi implementado para que casos maiores possam ser resolvidos. Vários tipos de crossover e metodologias de GAs são comparadas para se obter a melhor solução. Os resultados mostram que a melhor solução GA obteve, em média, custos de comunicação com 4% de penalidade quando comparada com a melhor solução, sendo que o algoritmo apresenta bons tempos de execução. / Dynamic Reconfigurable Systems (DRSs) have been accepted as an important alternative for lowering costs of digital circuits. However, they add new dimensions to the system-on-chip (SoC) design space. Although new methodologies have been proposed by Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) manufacturers to deal with the increased design complexity in this class of circuits, solutions to the algorithmic and block level design are still very ad-hoc. Considering the generalized use of robust communication resources in current complex SoCs, structured communication means, as network-on-chips (NoCs), have been included in dynamic reconfigurable systems generating DRSs based on NoCs, or DRS-NoCs, under different architectures. DRS-NoC architectures can be simple or complex. Simple DRS-NoCs architectures refer to regular and direct NoC topologies, with homogeneous Processing Modules (PMs). Complex DRS-NoCs architectures refer to irregular and undirected NoC topologies, with heterogeneous MPs. Mapping is the step in the SoC design flow which aims to find the best topological location for the application processing units onto the NoC topology, such that the metrics of interest can be greatly optimized. The placement problem deals with the optimized allocation of resources (cores) inside the reconfigurable device. In DRS-NoCs mapping, the on-going reconfiguration capability adds a new dimension to the mapping problem, since different cores are assigned to the same router, but being present in the in the logic fabric in separate moments. Furthermore, in complex DRS-NoC architectures the mapping problem is strongly associated with the placement one, and they should be dealt concurrently. To the date, the mapping and placement problems have not been properly addressed for those kind of architectures. In this work solutions are presented for hardware core placement and/or mapping for both simple and complex DRS-NoC architectures. Firstly, a mapping strategy is proposed for simple architectures, in a way that makes it possible to use previous classic mapping strategies (without reconfiguration) for DRSs. Results show reductions up to 38% on the average NoC delay and up to 41% of energy saving when comparing the best solution with average random solutions. In the second phase, the mapping and placement problems are dealt concurrently for DRS-NoC complex architectures: the problem formalization is proposed and for its analysis, an exact, and semi-exaustive, algorithm is implemented and applied. Due to the high complexity associated to the problem, an Genetic Algorithm (GA) was implemented to deal with larger cases. Several GAs crossovers and methodologies are compared for obtaining the best solution. Results show that best GA solution obtained, in average, communication costs with 4% of penalty when compared with best solution. In addition, the algorithm presents low execution times.

Robôs manipuladores vem desempenhando um importante papel em operações orbitais, e isso foi possível devido ao grande avanço da robótica espacial nas últimas décadas. Porém, o planejamento do movimento ainda é considerado um dos maiores desafios nesse campo, embora diversos métodos e considerações tenham sido propostas para resolver esse problema. As primeiras contribuições na área de planejamento de movimento dependiam de uma representação explícita do espaço de configuração do robô. Dessa forma, o planejamento de movimento para sistemas robóticos com muitos graus de liberdade era impraticável. Para lidar com esse problema, surgiram os métodos baseados em amostragem, dentre eles, o método de Árvore Aleatória de Exploração Rápida - RRT (do inglês, Rapidly- Exploring Random Tree). Estes métodos, ao invés da construção de todo o conjunto de configurações livre de colisões, requerem apenas a verificação de colisão com obstáculos para um conjunto discreto e finito de configurações do robô. Consequentemente, para este tipo de problema, são métodos mais vantajosos em termos computacionais. Com esta motivação, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um planejador de rota e de um planejador de trajetória para um robô manipulador espacial de base livre flutuante com dois braços, ambos planejadores com suporte a desvio de obstáculos estáticos. O conceito de manipulador dinamicamente equivalente é utilizado para modelar o manipulador espacial. Isso permite que o planejamento seja feito para um manipulador de base fixa subatuado dinamicamente equivalente ao manipulador de base livre flutuante. Os algoritmos baseados em amostragem RRT* e RRTControl disponibilizados na biblioteca OMPL (do inglês, Open Motion Planning Library) foram adaptados para resolver este problema de planejamento. O algoritmo RRT* é usado para o planejamento de rota, e o RRTControl para o planejamento de trajetória. Ambos planejadores utilizam o espaço de configuração das juntas do robô. Para possibilitar que a orientação e posição final dos dois efetuadores do robô pudessem ser especificadas no espaço da tarefa, um algoritmo de cinemática inversa baseado em algoritmo genético também foi desenvolvido para encontrar a solução da cinemática inversa do manipulador. / Robot manipulator has played an important role in orbital missions and this was possible due to the advance of space robotics in recent decades. However, motion planning is still considered one of the biggest challenges of the field though various methods and considerations were proposed by researchers to handle this problem. The first contributions in this field were dependent on an explicit representation of the free configuration space. Consequently, it was impractical to solve the motion planning problem for robotic systems with many degrees of freedom. In order to cope with this limitation, sampling-based methods were proposed, in particular, the Rapidly-Exploring Random Tree – RRT. Sampling-based methods only requires a procedure to verify collision with obstacles for a discrete amount of robot configuration during planning. Therefore, they are more advantageous in computational terms. In this work a path planner and a trajectory planner were developed for a free-floating planar manipulator with two arms with support for static obstacle avoidance. The Dynamically Equivalent Manipulator approach was used for modelling the robot. Thus, the planners were developed based on a fixed-base underactuated manipulator model which is dynamically equivalent to the free-floating manipulator. The sampling-based algorithms RRT* and RRTControl of the Open Motion Planning Library (OMPL) were adapted to solve this motion planning problem. The RRT* were used for path planning, and the RRTControl for trajectory planning, both carried out in the robot joint space. As the desired orientations and positions of the two end-effectors were specified in the task-space, a genetic algorithm was also developed to compute the inverse kinematics of the manipulator.

Manipuladores robóticos têm ganhado cada vez mais importância em operações espaciais por poderem substituir humanos na realização de tarefas perigosas ou demasiadamente demoradas e repetitivas. Em destaque tem-se os manipuladores de base livre, por poderem ser acoplados a satélites ou estações espaciais e representarem um grande desafio para engenheiros de controle. Tais robôs possuem dois modos de operação: com base livre controlada e com base livre flutuante. No primeiro modo a base do manipulador tem atitude e translação controladas por jatos propulsores ou rodas de reação, de modo que o comportamento do robô se aproxima de um manipulador de base fixa. Porém, há um considerável consumo de combustível e energia elétrica, além de novos distúrbios que são inseridos no sistema. No segundo modo, considerado neste trabalho de mestrado, os controles da base são desligados durante a operação e ela pode mover-se livremente em resposta aos movimentos do braço. Embora tenha-se notável economia de combustível e energia elétrica, o acoplamento dinâmico entre base e braço deve ser considerado tanto na modelagem como no projeto do controlador. Para modelar o robô espacial considerado neste projeto foi aplicado o método do Manipulador Dinamicamente Equivalente, que mapeia um manipulador de base livre flutuante através de um robô sub-atuado de base fixa. Dessa forma é possível utilizar sobre robôs espaciais técnicas de controle já desenvolvidas para manipuladores terrestres. Este trabalho trata da análise de controladores robustos e adaptativo aplicados sobre um manipulador planar de base livre flutuante com dois braços para realizar a tarefa de seguimento de trajetórias definidas no espaço de tarefa. Os sistemas de controle considerados foram: Regulador Linear Quadrático Recursivo Robusto (RLQR), controlador H-infinito robusto e controlador adaptativo com modos deslizantes. Os resultados mostraram que os controladores apresentaram desempenhos distintos mas ainda assim foram capazes de realizar a tarefa de seguir trajetórias no espaço de trabalho com erros de acompanhamento bastante pequenos. Foi elaborada também uma comparação quantitativa através de índices de desempenho considerando integral de torques e norma L2 de erros de acompanhamento. / Robotic manipulators gained greater importance in space operations by being able to replace humans in dangerous or very long and repetitive tasks. Free-floating manipulators are highlighted, because they can be coupled to satellites or space stations and represent a great challenge to control engineers. These robots have two operation modes: controlled base and free-floating base. In the first mode, the base has its attitude and translation controlled by propulsion jets or reaction wheels, so that the robot behavior is similar to a fixed-base manipulator. However, there is considerable fuel and electrical energy consumption, besides additional disturbances inserted in the system. In the second mode, which is considered in this work, the base is not controlled during operation and is able to move freely in response to movements of the arm. Even though there is a remarkable fuel and electrical energy saving, the dynamic coupling between base and arm must be taken into account during modelling and controller design. To model the space manipulator considered in this work the Dynamically Equivalent Manipulator method was used, which maps a free-floating manipulator into a underactuated fixed-base manipulator. Thus, it is possible to apply known control techniques for terrestrial manipulators on free-floating ones. This work discusses robust and adaptive controllers applied on a planar dual-arm free-floating space manipulator in order to track trajectories defined in the workspace. The considered control systems are: Robust Recursive Linear Quadratic Regulator, Robust H-infinity and Adaptive Sliding Modes. Results showed that the controllers had distinct performances but were still able to perform trajectory tracking in workspace with very small tracking errors. A quantitative comparison was also elaborated with performance indexes considering integral of torques and L2 norm of tracking errors.

Como tópico de fundamental importância na robótica, o planejamento de rotas tem encontrado excelentes resultados nos últimos anos através da utilização de algoritmos baseados no conceito de árvore de exploração rápida, RRT. No entanto, a aplicação desses métodos em sistemas robóticos espaciais revela um cenário ainda a ser explorado. O comportamento não-holonômico e a presença de singularidades dinâmicas são alguns fatores que dificultam a consideração de obstáculos no planejamento de rotas desses sistemas. Além disso, os trabalhos relacionados ao planejamento de movimento para manipuladores espaciais mostram-se concentrados na estratégia ponto-a-ponto, com interesse especial nos aspectos particulares da dinâmica desses sistemas. De modo geral, para manipuladores espaciais, o planejamento de trajetória envolvendo o desvio de obstáculos depende de uma rota previamente computada. Contudo, essa tarefa carece de formulações ou técnicas solidificadas, sobretudo para manipuladores espaciais de base livre flutuante. Com esta motivação, o trabalho proposto nesta dissertação de mestrado cria um planejador de rotas com suporte a desvio de obstáculos para um manipulador espacial planar de base livre flutuante. O modelo dinâmico utilizado é baseado no conceito de manipulador dinamicamente equivalente e incorporado a um algoritmo baseado no conceito de RRT. / As major challenge in the field of robotics, path planning has experienced successful results in recent years by means of the RRT algorithm. However, the application of such algorithms in space manipulators reveals a scenario yet to be explored. The non-holonomic behavior, added to the presence of dynamic singularities are only a few factors that make collision-avoidance path planning of these systems such a hard task. Besides, works in the field of motion planning of space manipulators often concentrate in the strategy pointto- point, with particular interest in the complex dynamics of such systems. As a rule of thumb, collision-avoidance for space manipulators depends on a previous computed path. However, this task still lacks robust formulations, specially in the case of free-floating manipulators. With this motivation, the proposed work creates a collision-avoiding path planning for a free-floating planar manipulator. The dynamic model is based on the Dynamically Equivalent Manipulator and the concept of Rapidly-Exploring Random Trees serves as a frame for the developed algorithm.

Manipuladores robóticos têm ganhado cada vez mais importância em operações espaciais por poderem substituir humanos na realização de tarefas perigosas ou demasiadamente demoradas e repetitivas. Em destaque tem-se os manipuladores de base livre, por poderem ser acoplados a satélites ou estações espaciais e representarem um grande desafio para engenheiros de controle. Tais robôs possuem dois modos de operação: com base livre controlada e com base livre flutuante. No primeiro modo a base do manipulador tem atitude e translação controladas por jatos propulsores ou rodas de reação, de modo que o comportamento do robô se aproxima de um manipulador de base fixa. Porém, há um considerável consumo de combustível e energia elétrica, além de novos distúrbios que são inseridos no sistema. No segundo modo, considerado neste trabalho de mestrado, os controles da base são desligados durante a operação e ela pode mover-se livremente em resposta aos movimentos do braço. Embora tenha-se notável economia de combustível e energia elétrica, o acoplamento dinâmico entre base e braço deve ser considerado tanto na modelagem como no projeto do controlador. Para modelar o robô espacial considerado neste projeto foi aplicado o método do Manipulador Dinamicamente Equivalente, que mapeia um manipulador de base livre flutuante através de um robô sub-atuado de base fixa. Dessa forma é possível utilizar sobre robôs espaciais técnicas de controle já desenvolvidas para manipuladores terrestres. Este trabalho trata da análise de controladores robustos e adaptativo aplicados sobre um manipulador planar de base livre flutuante com dois braços para realizar a tarefa de seguimento de trajetórias definidas no espaço de tarefa. Os sistemas de controle considerados foram: Regulador Linear Quadrático Recursivo Robusto (RLQR), controlador H-infinito robusto e controlador adaptativo com modos deslizantes. Os resultados mostraram que os controladores apresentaram desempenhos distintos mas ainda assim foram capazes de realizar a tarefa de seguir trajetórias no espaço de trabalho com erros de acompanhamento bastante pequenos. Foi elaborada também uma comparação quantitativa através de índices de desempenho considerando integral de torques e norma L2 de erros de acompanhamento. / Robotic manipulators gained greater importance in space operations by being able to replace humans in dangerous or very long and repetitive tasks. Free-floating manipulators are highlighted, because they can be coupled to satellites or space stations and represent a great challenge to control engineers. These robots have two operation modes: controlled base and free-floating base. In the first mode, the base has its attitude and translation controlled by propulsion jets or reaction wheels, so that the robot behavior is similar to a fixed-base manipulator. However, there is considerable fuel and electrical energy consumption, besides additional disturbances inserted in the system. In the second mode, which is considered in this work, the base is not controlled during operation and is able to move freely in response to movements of the arm. Even though there is a remarkable fuel and electrical energy saving, the dynamic coupling between base and arm must be taken into account during modelling and controller design. To model the space manipulator considered in this work the Dynamically Equivalent Manipulator method was used, which maps a free-floating manipulator into a underactuated fixed-base manipulator. Thus, it is possible to apply known control techniques for terrestrial manipulators on free-floating ones. This work discusses robust and adaptive controllers applied on a planar dual-arm free-floating space manipulator in order to track trajectories defined in the workspace. The considered control systems are: Robust Recursive Linear Quadratic Regulator, Robust H-infinity and Adaptive Sliding Modes. Results showed that the controllers had distinct performances but were still able to perform trajectory tracking in workspace with very small tracking errors. A quantitative comparison was also elaborated with performance indexes considering integral of torques and L2 norm of tracking errors.

Em um sistema came-seguidor a dinâmica do sistema seguidor faz com que o movimento final se desvie daquele especificado. Este efeito pode ser compensado considerando-se o modelo dinâmico inverso do sistema seguidor no projeto da lei de movimento do came. Considerando-se constante a velocidade do came, o sistema seguidor tem dinâmica linear. Entretanto, devido à razão de transmissão variável, e devido a outros efeitos não lineares, o sistema de acionamento como um todo é não linear, e procedimentos não lineares devem ser utilizados para se ajustar a lei de movimento do came. Uma análise teórica, suportada por simulações, mostra o potencial deste procedimento, ao menos no caso de uma dinâmica simples do sistema seguidor: uma considerável redução do erro de movimento, e uma boa robustez relativa a erros na freqüência de ressonância e razão de amortecimento estimadas. Experimentos com o acionamento por um servomotor sub-dimensionado, como é de se esperar, mostram resultados diferentes, devido à velocidade angular não constante. A flutuação observada na velocidade angular em torno do valor constante é então levada em consideração para o projeto da lei de movimento com nonlinear feedforward. / In a cam-follower system the dynamics of the follower-train mechanism cause an actual motion which deviates from the desired one. This effect can be compensated by taking into account the inverse dynamic model of the follower-train in the design of the cam motion law. By considering a constant cam velocity, the follower-train has linear dynamics. However, due to the varying transmission ratio, and due to other nonlinear effects, the whole drive train is a nonlinear system, and nonlinear procedures should be used to fit a motion law. A theoretical analysis with only the linear feed-forward compensation, supported by simulation results, has shown the potential of this approach, at least in the case of simple follower-train dynamics: a considerable reduction of the motion error, and a good robustness with respect to errors in the estimated resonance frequency and damping ratio of the follower-train. Experiments with a small driving servomotor, as expected, show differerit results, due to the non-constant angular velocity. The observed cam angular velocity ripple is then taken into account to design a complete nonlinear feedforward motion law.