In this work, formulations of ocean data assimilation methods and numerical experiments focusing on the tropical Atlantic Ocean are presented. A methodology of correction of salinity, which takes the temperature analysis and a local relation between temperature and salinity, and numerical experiments are also presented. The methods used here were: the Bergthorsson and Döös (B&D) method; the method of Successive Corrections, both with fixed weights; and a version of the Kalman filter based on the Fokker-Plank equation with prognostic weights. The global circulation model MOM version 3 from GFDL/NOAA was used for the realization of experiments with inter-annual and seasonal variabilities. These experiments used observational data from the PIRATA project and from the climatological Levitus Atlas, respectively. The experiments were performed after 15 years of spin up. Several sensitivity experiments were realized to identify the impact of data assimilation on the model results, particularly in relation to: (i) the number of model vertical levels with assimilation, (ii) assimilation of only vertical profiles of temperature; (iii) assimilation of only vertical profiles of salinity; (iv) assimilation of vertical profiles of both temperature and salinity; (v) assimilation of only vertical profiles of temperature but with salinity correction. The results showed that the use of the assimilation methods reduced the model errors in relation to the observational data. The analysis increments by the data assimilation methods heated the surface ocean and cooled the region below the thermocline. The Kalman filter version produced localized corrections around the observational data, while the methods with prescribed weights produced smooth analysis with large-scale impacts. The assimilation of only temperature with the B&D method conducted for 1 year imposed perturbations that caused the degradation of the solution in the second half of the experiment. The assimilation of both temperature and salinity or the assimilation of only temperature with salinity correction produced the best model estimate with respect to observation. For the implementation of an operational ocean data assimilation system with the methods investigated in the present work, it is recommended the use of the B&D method and assimilation of both temperature and salinity. / Neste trabalho são apresentadas formulações de métodos de assimilação de dados oceanográficos e experimentos numéricos enfocando o Oceano Atlântico tropical. É apresentada ainda uma metodologia e experimentos de correção da salinidade a partir de análises de temperatura usando uma relaçãolocal entre a temperatura e salinidade. Foi utilizado o método de Bergthorsoon e Döös (B&D), o método de correções sucessivas, ambos com pesos prescritos, e uma versão do filtro de Kalman baseada na equação de Fokker-Planck com pesos prognosticados. Foi empregado o modelo de circulação geral dos oceanos MOM3 do GFDL/NOAA para a realização de experimentos com variabilidade interanual e com variabilidade sazonal usando dados observados do projeto PIRATA e climatologia do Atlas de Levitus, respectivamente. As integrações foram feitas após 15 anos de integração de spin up. Diversos experimentos de sensibilidade foram realizados para identificar o impacto da assimilação de dados na simulação do modelo, particularmente em relação a: (i) número de níveis verticais do modelo com assimilação; (ii) assimilação com perfis verticais de temperatura; (iii) assimilação com perfis verticais de salinidade; (iv) assimilação de ambos perfis verticais de temperatura e salinidade; e (v) assimilação de somente perfis verticais de temperatura mas com correção da salinidade. Os resultados obtidos indicam que os métodos de assimilação reduziram os erros do modelo em relação às observações. Os incrementos da análise produzidos pelos métodos de assimilação aqueceram o oceano superficial e esfriaram a região abaixo da termoclina. A versão do filtro de Kalman produziu correções localizadas ao redor dos pontos de dados observacionais, enquanto os métodos com pesos prescritos produziram análises mais suaves com correções em áreas maiores. A assimilação de somente temperatura com o método de B&D conduzida por 1 ano impôs perturbações que causaram a degradação da qualidade da simulação na segunda metade do experimento. A assimilação de ambos temperatura e salinidade ou somente assimilação de temperatura com correção da salinidade produziram a melhor estimativa do modelo em relação às observações. Para a implementação de um sistema de assimilação de dados oceanográficos operacional com os métodos aqui investigados recomenda-se o uso do método de B&D e assimilação de ambos temperatura e salinidade.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:54:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DiegoRCS.pdf: 1286138 bytes, checksum: 890aca771a97105bf912985058e417c2 (MD5) Previous issue date: 2008-12-11 / The present research aims at contributing to the area of detection and diagnosis of failure through the proposal of a new system architecture of detection and isolation of failures (FDI, Fault Detection and Isolation). The proposed architecture presents innovations related to the way the physical values monitored are linked to the FDI system and, as a consequence, the way the failures are detected, isolated and classified. A search for mathematical tools able to satisfy the objectives of the proposed architecture has pointed at the use of the Kalman Filter and its derivatives EKF (Extended Kalman Filter) and UKF (Unscented Kalman Filter). The use of the first one is efficient when the monitored process presents a linear relation among its physical values to be monitored and its out-put. The other two are proficient in case this dynamics is no-linear. After that, a short comparative of features and abilities in the context of failure detection concludes that the UFK system is a better alternative than the EKF one to compose the architecture of the FDI system proposed in case of processes of no-linear dynamics. The results shown in the end of the research refer to the linear and no-linear industrial processes. The efficiency of the proposed architecture may be observed since it has been applied to simulated and real processes. To conclude, the contributions of this thesis are found in the end of the text / O presente trabalho visa contribuir com a ?rea de detec??o e diagn?stico de falhas em sistemas din?micos atrav?s da proposta de uma nova arquitetura de sistemas de detec??o e isolamento de falhas (FDI, Fault Detection and Isolation). A arquitetura proposta traz inova??es no que se refere ? maneira como as grandezas f?sicas do processo monitorado s?o relacionadas ao sistema FDI e, em conseq??ncia disso, ? maneira como as falhas s?o detectadas, isoladas e classificadas. Uma busca por ferramentas matem?ticas capazes de satisfazer os objetivos da arquitetura proposta apontou para o uso do filtro de Kalman e seus derivados EKF (Extended Kalman Filter) e UKF (Unscented Kalman Filter). O uso do primeiro algoritmo mostra-se eficaz no caso em que o processo monitorado apresenta uma rela??o linear entre suas grandezas f?sicas a serem monitoradas e sua sa?da. Os outros dois, caso a din?mica seja n?o linear. Posteriormente, um comparativo entre o EKF e o UKF mostra que o segundo se adequa melhor ?s necessidades da arquitetura proposta. Os resultados mostrados no final da tese s?o referentes a plantas lineares e n?o-lineares, onde se pode observar a efic?cia da arquitetura proposta quando a mesma foi aplicada a processos simulados e reais

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:54:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AndreMS_TESE_1-100.pdf: 5113772 bytes, checksum: 19386f80f787c926c4fb29b85bac4ecf (MD5) Previous issue date: 2011-02-11 / The goal of this work is to propose a SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) solution based on Extended Kalman Filter (EKF) in order to make possible a robot navigates along the environment using information from odometry and pre-existing lines on the floor. Initially, a segmentation step is necessary to classify parts of the image in floor or non floor . Then the image processing identifies floor lines and the parameters of these lines are mapped to world using a homography matrix. Finally, the identified lines are used in SLAM as landmarks in order to build a feature map. In parallel, using the corrected robot pose, the uncertainty about the pose and also the part non floor of the image, it is possible to build an occupancy grid map and generate a metric map with the obstacle s description. A greater autonomy for the robot is attained by using the two types of obtained map (the metric map and the features map). Thus, it is possible to run path planning tasks in parallel with localization and mapping. Practical results are presented to validate the proposal / O objetivo desta tese ? apresentar uma t?cnica de SLAM (Localiza??o e Mapeamento Simult?neos) adequada para ambientes planos com linhas presentes no ch?o, de modo a permitir que o rob? navegue no ambiente fundindo informa??es de odometria e de vis?o monocular. Inicialmente, ? feita uma etapa de segmenta??o para classificar as partes da imagem em ch?o e n?o-ch?o . Em seguida, o processadomento de imagem identifica linhas na parte ch?o e os par?metros dessas linhas s?o mapeados para o mundo, usando uma matriz de homografia. Finalmente, as linhas identificadas s?o usadas como marcos no SLAM, para construir um mapa de caracter?sticas. Em paralelo, a pose corrigida do rob?, a incerteza em rela??o ? pose e a parte n?och?o da imagem s?o usadas para construir uma grade de ocupa??o, gerando um mapa m?trico com descri??o dos obst?culos. A utiliza??o simult?nea dos dois tipos de mapa obtidos (m?trico em grade e de caracter?sticas) d? maior autonomia ao rob?, permitindo acrescentar tarefas de planejamento em simult?neo com a localiza??o e mapeamento. Resultados pr?ticos s?o apresentados para validar a proposta

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FlavioGD_DISSERT.pdf: 434327 bytes, checksum: 80a9ab9e6651a6af8ae71caa0fd3bfec (MD5) Previous issue date: 2011-09-09 / This paper describes the study, computer simulation and feasibility of implementation of vector control speed of an induction motor using for this purpose the Extended Kalman Filter as an estimator of rotor flux. The motivation for such work is the use of a control system that requires no sensors on the machine shaft, thus providing a considerable cost reduction of drives and their maintenance, increased reliability, robustness and noise immunity as compared to control systems with conventional sensors / Esta disserta??o apresenta o desenvolvimento de uma simula??o computacional com a finalidade de demonstrar o funcionamento do controle vetorial para velocidade de um motor de indu??o trif?sico utilizando m?todo de estima??o pelo Filtro de Kalman Estendido, bem como os procedimentos necess?rios para sua implementa??o pr?tica. A motiva??o maior que influenciou a pesquisa est? na utiliza??o de um sistema de controle inovador que n?o necessita de sensores no eixo da m?quina (t?cnica sensorless), proporcionando desta forma uma consider?vel redu??o nos custos de acionamentos e manuten??o, aumento da confiabilidade, da robustez e da imunidade a ru?dos em rela??o ao controle de motores convencionais com sensores

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LuizHRS_DISSERT.pdf: 5685489 bytes, checksum: 6c8bd08a9e57fe6ca72df5d1593b834d (MD5) Previous issue date: 2014-01-24 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / This work intends to show a new and few explored SLAM approach inside the simultaneous localization and mapping problem (SLAM). The purpose is to put a mobile robot to work in an indoor environment. The robot should map the environment and localize itself in the map. The robot used in the tests has an upward camera and encoders on the wheels. The landmarks in this built map are light splotches on the images of the camera caused by luminaries on the ceil. This work develops a solution based on Extended Kalman Filter to the SLAM problem using a developed observation model. Several developed tests and softwares to accomplish the SLAM experiments are shown in details / Este trabalho visa mostrar uma abordagem pouco explorada do problema de mapeamento e localiza??o simult?neos (SLAM). Comfimde trabalhar emumambiente fechado, uma plataforma rob?tica m?vel deve construir um mapa do ambiente e se localizar dentro deste mapa. A plataforma rob?tica utilizada possui uma c?mera voltada para o teto (ascendente) e odometria para as rodas. As marcas que comp?em o mapa s?o manchas luminosas na imagem capturada pela c?mera causadas pelas lumin?rias no teto. Este trabalho desenvolve uma solu??o baseada no Filtro de Kalman Estendido para o SLAM com um modelo de observa??o desenvolvido. Diversos testes e programas desenvolvidos para realiza??o do SLAM s?o apresentados em detalhes

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2018-01-24T12:15:33Z No. of bitstreams: 1 OsmarDeAraujoDouradoJunior_TESE.pdf: 3621125 bytes, checksum: ac4c7dbcd5830c2fa16d1e8be1ae3ee1 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2018-01-26T14:00:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 OsmarDeAraujoDouradoJunior_TESE.pdf: 3621125 bytes, checksum: ac4c7dbcd5830c2fa16d1e8be1ae3ee1 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-26T14:00:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 OsmarDeAraujoDouradoJunior_TESE.pdf: 3621125 bytes, checksum: ac4c7dbcd5830c2fa16d1e8be1ae3ee1 (MD5) Previous issue date: 2017-06-19 / O objetivo desta Tese ? apresentar um Estimador de Estado para po?os de Plunger Lift com base no algoritmo Extended Kalman Filter (EKF). O estimador de estado ? uma opera??o conjunta da aplica??o para o modelo din?mico de Plunger Lift (PL) na abordagem de Espa?o de Estados e algoritmo EKF. O modelo ? constitu?do por um conjunto de equa??es diferenciais e alg?bricas (DAEs) discretas e modeladas na forma de equa??es no espa?o de estados, levando em conta os sinais de medi??o na presen?a de ru?do. O algoritmo EKF ? aplicado ao modelo de espa?o de estado, resultando num estimador de estado capaz de processar o sinal de medi??o, proporcionando assim estimativas das vari?veis de estado, que neste problema s?o a velocidade da golfada e a press?o no topo do revestimento. A simula??o computacional realizada com dados de um po?o real ? apresentada e os resultados mostraram que o estimador de estados proposto ? capaz de fornecer predi??es para po?os de petr?leo operados por PL. / The aim of this Thesis is to present a State Estimator for Plunger Lift wells based on the Extended Kalman Filter (EKF) algorithm. The state estimator is a joint operation of the application for the Plunger Lift (PL) dynamic model in State Space approach and EKF algorithm. The model is constituted by a set of discrete differential algebraic equations (DAEs) discretized and modeled in the form of equations in state space taking into account the measurement signals in the presence of noise. EKF algorithm is applied to the state space model, resulting in a state estimator able to process the measurement signal thus providing estimates of the state variables, that in this problem are slug velocity and casinghead pressure. The computational simulation performed with data from a real well is presented and the results showed that the state estimator proposed is able to provide predictions for oil wells operated by PL.

O estudo da estabilidade e desempenho em sistemas de controle é um tópico relevante na teoria de sistemas. Quando são assumidas incertezas no modelo da planta, existe uma maior dificuldade para garantir um nível de desempenho adequado do sistema dinâmico e a estabilidade pode ser comprometida. Neste trabalho são utilizados um regulador linear quadrático robusto e um filtro de Kalman robusto combinados em uma única formulação para tratar de sistemas dinâmicos incertos em tempo real. O caso de estudo selecionado é o pêndulo invertido. Seus principais desafios de controle encontrados na literatura: estabilização, seguimento e levantamento-captura, serão considerados. Os algoritmos utilizados são motivados pelo fato de que problemas estocásticos podem ser resolvidos por meio de argumentos determinísticos, baseados nos conceitos de função penalidade e mínimos quadrados regularizados. Desta forma, é possível a obtenção do melhor desempenho em contrapartida à máxima influência de incerteza admissível. A análise de desempenho do controlador robusto é realizada por meio de ensaios práticos incluindo incertezas na planta, ruído nos sensores e distúrbios no sinal de controle do pêndulo. / The study of stability and performance in control systems is a relevant topic in systems theory. When uncertainties are considered in the model of the plant, there is a greater difficulty in ensuring an appropriate performance level of the dynamic system, plus, the stability could be compromised as well. In this dissertation a robust linear quadratic regulator and a robust Kalman filter are used in a unified manner to deal with uncertain dynamic systems in real time. The selected case study is the inverted pendulum. Its main control challenges found in the literature will be considered: stabilization, tracking and catching swing-up. The used algorithms are motivated by the fact that stochastic problems can be solved through deterministic arguments based on the concepts of penalty function and regularized least-squares. Thus, it is possible to obtain an optimal performance for the maximum acceptable uncertainty. The performance analysis of the robust control is carried out by practical experiments including uncertainties in the plant, noise in the sensors and disturbance in the pendulum control signal.

Na literatura de controle, os controladores preditivos disponíveis apresentam aplicações limitadas em processos com características integradoras. Uma dessas limitações está relacionada às propriedades estabilizantes que surgem da lei de controle quando o sistema é colocado em malha fechada. O principal objetivo dessa dissertação é desenvolver um algoritmo de controle preditivo, nominalmente estável, baseado num horizonte de predição infinito das saídas do sistema. Para essa finalidade, uma representação existente em variáveis de estado é analisada e estendida para ser capaz de ser aplicável para processos estáveis e integradores, com tempo morto. Dois métodos distintos que garantem a estabilidade de sistemas integradores foram desenvolvidos com um MPC de horizonte infinito. Para o caso de realimentação de estado, a estabilidade nominal do MPC proposto foi provada para os dois métodos e a eficiência dos controladores foi verificada através de exemplos da literatura de controle. Um dos controladores foi também aplicado em um processo de destilação de uma refinaria de petróleo. O algoritmo desenvolvido foi estendido para o caso de realimentação das saídas com a inclusão do filtro de Kalman para a estimativa dos estados do modelo. A aplicação do controlador em um sistema com diferentes tempos mortos entre as variáveis integradoras foi também estudada. / In the control literature, the available predictive controllers show limitations to be applied in processes that have integrating behavior. One of these limitations is related to the stabilizing properties of the resulting control law when the system is in closed loop. The main objective of this work is to develop a nominal stable control algorithm based on infinite prediction of system outputs. For this purpose an existing state space representation is explored and extended in order to be able to be applied to stable and integrating process with dead time. Two distinct methods to assure stability of integrating systems were developed for the infinite horizon MPC. For the case of state feedback, nominal stability of the resulting MPC was proved for the two methods and the efficiency of the controllers was verified through examples of the control literature. One of the controllers was also applied to an industrial distillation process of a petroleum refinery. The developed algorithm was extended to the output feedback operation with the inclusion of a Kalman filter for estimation of the model states. The application of the controller to a system with different dead times between integrating variables was also studied.

Este trabalho trata da coordenação de robôs heterogêneos que consiste em um robô helicóptero e em múltiplos robôs móveis com rodas, de modo que estes sigam um líder. Para atingirmos este objetivo, neste trabalho desenvolve-se a estimação da atitude e posição de um robô utilizando filtros robustos. Os filros realizam a fusão dos sinais de uma unidade de medida inercial de baixo custo e de um receptor GPS (Global Positioning System) considerando um modelo de corpo rígido formulado em termos de quatérnios. Resultados experimentais são apresentados baseados em um estudo comparativo entre os filtros robustos e o filtro de Kalman. Desenvolve-se o controle de um robô móvel com rodas deslizantes e de um robô helicóptero. Para realizar o controle robusto utilzia-se um regulador robusto recursivo. Simulaçõoes do robô móvel com rodas deslizantes e do robô helicóptero são apresentadas utilizando os parâmetros de um robô móvel Pioneer 3AT e de um robô helicóptero RMAX. Desenvolve-se também um mini robô helicóptero e uma base de movimento para realização de testes de controle do mini robô helicóptero constiste de um mini helimodelo e de um piloto automático baseado em um microprocessador com conectividade Wi-Fi, uma unidade de medida inercial e uma placa de controle de servos motores. E por fim, desenvolve-se a coordenação de robôs heterogêneos de modo que estes sigam um líder. Para isto é utilziado um controlador descentralizado e cooperativo cuja finalidade é gerar trajetórias de referência para que os robôs heterogênos se movimentem em formação rígida. / This research deals with the coordination of the heterogeneous robots, consisting of a robotic helicopter and multiple uheeled mobile robots, to achieve this aim this work develops the estimation of attitude, heading and positions of a robot based on robust filters. The filters perform the fusion of the signals of a low-cost inertial measurement unit and a GPS (Global Positioning System) receiver considering a rigid body model formulated in terms of quaternions. Experimental results are presented based on a comparative study of the robust filters and Kalman filter. It develops a robust control scheme of a ski-steering mobile robot and a robotic helicopter. The robust control is performed through a the robust recursive regulator. Simulations of the skid-steering mobile robot and a robotic helicopter are presented using the parameters of a Pioneer 3AT and a robotic helicopter RMAX. It also develops a mini robotic helicopter and a motion base to perform control test of a mini robotic helicopter. The mini robotic helicopter consists of a mini helicopter TREX 450 XL and an autopilot based on a microprocessor with Wi-Fi, an inertial measurement unit a servo control board. To finish, it develops the coordination of the heterogeneous robots in order to perform a leader strategy based on the concept of rigid formation.

Coordenação de robôs móveis é um tópico importante de pesquisa dado que existem tarefas que podem ser desenvolvidas de forma mais eficiente e com menor custo por um grupo de robôs do que por um só robô. Nesta dissertação é apresentado um estudo sobre coordenação de robôs móveis para o problema de navegação em ambientes externos. Para isso, foi desenvolvido um sistema de localização utilizando os dados de odometria e do receptor GPS, e um sistema de desvio de obstáculos para planejar a trajetória livre de obstáculos. Os movimentos coordenados foram realizados em função de um líder e qualquer robô da formação pode assumir a liderança. A liderança é assumida pelo robô que ultrapassar a distância mínima a um obstáculo. Movimentos estáveis são gerados através de uma lei de controle descentralizada baseada nas coordenadas dos robôs. Para garantir a estabilidade da formação quando há alternância de líder ou remoção de robôs, foi feito controle tolerante a falhas para um grupo de robôs móveis. O controle tolerante a falhas é baseado em controle H \'INFINITO\' por realimentação da saída de sistemas lineares sujeitos a saltos Markovianos para garantir a estabilidade da formação quando um dos robôs é perdido durante o movimento coordenado. Os resultados do sistema de localização mostram que o uso de filtro robusto para a fusão de dados produz uma melhor estimativa da posição do robô móvel. Os resultados também mostram que o sistema de desvio de obstáculos é capaz de gerar uma trajetória livre de obstáculos em ambientes desconhecidos. E por fim, os resultados do sistema de coordenação mostram que o grupo de robôs mantém a formação desejada percorrendo a trajetória de referência na presença de distúrbios ou quando um robô sai da formação. / Coordination of mobile robots is an important topic of research because there are tasks that may be too difficult for a single robot to perform alone, these tasks can be performed more efficiently and cheaply by a group of mobile robots. This dissertation presents a study on the coordination of mobile robots to the problem of navigation in outdoor environments. To solve this problem, a localization system using data from odometry and GPS receiver, and an obstacle avoidance system to plan the collision-free trajectory, were developed. The coordinated motions are performed by the robots that follow a leader, and any robot of the formation can assume the leadership. The leadership is assumed by a robot when it exceeds the threshold distance to an obstacle. Stable motions are generated by a decentralized control law based on the robots coordinates. To ensure the stability formation when there is alternation of leader or one of the robots is removed, we made a fault tolerant control for a group of mobile robots. The fault tolerant approach is based on output feedback H \'INFINITE\' control of Markovian jump linear systems to ensure stability of the formation when one of the robots is lost during the coordinated motion. The results of the localization system show that the use of robust filter for data fusion produces a better estimation of the mobile robots position. The results also show that the obstacle avoidance system is capable of generating a path free from obstacles in unknown environments. Finally, the results of the coordination system show that the group of robots maintain the desired formation along the reference trajectory in the presence of disturbance or removal of one of them.