[pt] Robôs híbridos equipados com pernas e rodas são uma solução promissora para uma locomoção versátil em terrenos acidentados. Eles combinam a velocidade e a eficiência das rodas com a capacidade das pernas de atravessar terrenos com obstáculos. Em geral, os desafios em locomoção para robôs híbridos envolvem planejamento de trajetória e sistemas de controle para o rastreamento da trajetória planejada. Esta tese se concentra, em particular, na tarefa de otimização de trajetória para robôs híbridos que navegam em terrenos acidentados. Para isso, propõe-se um algoritmo de planejamento que otimiza a posição e a orientação da base do robô e as posições e forças de contato nas rodas em uma formulação única, levando em consideração as informações do terreno e a dinâmica do robô. O robô é modelado como um único corpo rígido com massa e inércia concentrada no centro de massa, o que permite planejar movimentos complexos por longos horizontes de tempo e ainda manter uma baixa complexidade computacional para resolver a otimização de forma mais eficiente. O conhecimento do mapa do terreno permite que a otimização gere trajetórias para negociação de obstáculos de maneira dinâmica, em velocidades mais altas. Tais movimentos não podem ser gerados sem levar em consideração as informações do terreno. Duas formulações diferentes são apresentadas, uma que permite movimentos somente com as rodas, onde a negociação de obstáculos é permitida pelas pernas, e outra focada em movimentos híbridos dando passos e movendo as rodas, capazes de lidar com descontinuidades no perfil do terreno. A otimização é formulada como um NLP e as trajetórias obtidas são rastreadas por um controlador hierárquico que computa os comandos de atuação de torque para as juntas e as rodas do robô. As trajetórias são verificadas no robô quadrúpede ANYmal equipado com rodas não esterçáveis controladas por torque, em simulações e testes experimentais. O algoritmo proposto de otimização de trajetória permite que robôs com pernas e rodas naveguem por terrenos complexos, contendo, por exemplo, degraus, declives e escadas, enquanto negociam esses obstáculos com movimentos dinâmicos. / [en] Wheeled-legged robots are an attractive solution for versatile locomotion in challenging terrain. They combine the speed and efficiency of wheels with the ability of legs to traverse challenging terrain. In general, the challenges with wheeled-legged locomotion involve trajectory generation and motion control for trajectory tracking. This thesis focuses in particular on the trajectory optimization task for wheeled-legged robots navigating in challenging terrain. For this, a motion planning framework is proposed that optimizes over the robot’s base position and orientation, and the wheels’ positions and contact forces in a single planning problem, taking into account the terrain information and the robot dynamics. The robot is modeled as a single rigid-body, which allows to plan complex motions for long time horizons and still keep a low computational complexity to solve the optimization quickly. The knowledge of the terrain map allows the optimizer to generate feasible motions for obstacle negotiation in a dynamic manner, at higher speeds. Such motions cannot be discovered without taking into account the terrain information. Two different formulations allow for either purely driving motions, where obstacle negotiation is enabled by the legs, or hybrid driving-walking motions, which are able to overcome discontinuities in the terrain profile. The optimization is formulated as a Nonlinear Programming Problem (NLP) and the reference motions are tracked by a hierarchical whole-body controller that computes the torque actuation commands for the robot. The trajectories are verified on the quadrupedal robot ANYmal equipped with non-steerable torque-controlled wheels in simulations and experimental tests. The proposed trajectory optimization framework enables wheeled-legged robots to navigate over challenging terrain, e.g., steps, slopes, stairs, while negotiating these obstacles with dynamic motions.

[pt] Os avanços da Robótica nas últimas décadas permitem um aumento nas gamas de aplicações de manipuladores robóticos em diversos setores da indústria. Isto, impacta diretamente a interação Homem-Robô (HRI), resultando em um aumento de tarefas que requerem compartilhamento de ambiente de trabalho, desempenho de segurança e a habilidade de detecção de contato do manipulador robótico. Consequentemente, métodos de controle capazes de prever contato, controlar força ou trajetória para evitar danos durante colisões se tornam cada vez mais necessários seja por questões de segurança ou de desempenho. Separando a dinâmica de um manipulador de um único elo em dois modos, sendo eles modo de controle de posição (modo livre) e modo de controle de torque (modo de contato), a primeira parte desta dissertação, lida com o problema de estimação de estados para detecção do modo ativo através da implementação do método de Estimação de Estados de Horizonte móvel com Redes Neurais (NNMHSE). A efetividade do método de estimação proposto é avaliada através da comparação dos estados e modos gerados pelo MHSE e dos estimados pela Rede Neural. Este método apresentou baixos valores de RMSE, altos valores de R(2), e uma redução do tempo de processamento do algoritmo de estimação. A segunda parte desta dissertação lida com o problema de controle de posição e força chaveado para um manipulador robótico não linear, aplicando Controle Preditivo Baseado em Modelo (MPC). O algoritmo MPC chaveado implementado mostrou-se capaz de controlar efetivamente ambos os modos do sistema apresentando baixo erro na predição, aproximadamente 2 por cento no modo de controle de posição e 0.5 por cento no modo de controle de torque, mesmo considerando alterações cíclicas nos modos. Ambos os métodos provam ser adequados para controle de manipuladores robóticos colocalizados com seres humanos ou em ambientes desestruturados por meio da detecção do modo de operação e do controle chaveado posição-torque. / [en] The advances in Robotics in recent decades allow a growing range of robotic manipulator applications in various industry sectors. This directly impacts Human-Robot Interaction (HRI), increasing tasks that require a shared work environment, safety performance, and the contact detection ability of the robotic manipulator. Consequently, control methods capable of predicting contact, and controlling force or trajectory to avoid damage during collisions become increasingly necessary either for safety or performance reasons. Separating the dynamics of a single-link manipulator into two modes, namely position control mode (free mode) and torque control mode (contact mode), the first part of this dissertation deals with the estimation problem of states for active mode detection through the implementation of the Moving Horizon State Estimation with Neural Networks (NNMHSE) method. The effectiveness of the proposed estimation method is evaluated by comparing the states and modes generated by the MHSE and those estimated by the Neural Network. This method showed low RMSE values, high values of R(2), and a reduction in the processing time of the estimation algorithm. The second part of this dissertation deals with the position and force switching problem for a non-linear robotic manipulator, applying Model-Based Predictive Control (MPC). The implemented switched MPC algorithm effectively controlled both modes of the system, presenting low prediction error, approximately 2 percent in position control mode and 0.5 percent in torque control mode, even considering cyclical changes in the modes. Both methods prove to be suitable for controlling co-located robotic manipulators with humans or in unstructured environments through operation mode detection and position-torque switching control.

[pt] Os veículos automatizados devem trafegar em determinado ambiente detectando, planejando e seguindo uma trajetória segura. De modo a se mostrarem mais seguros que seres humanos, eles devem ser capazes de executar essas tarefas tão bem ou melhor do que motoristas humanos sob diferentes condições críticas. Uma parte essencial no estudo de veículos automatizados o desenvolvimento de modelos representativos que sejam precisos e computacionalmente eficientes. Assim, para lidar com esses problemas, o presente trabalho aplica métodos de inteligência computational e identificação de sistemas para realizar modelagem de veículos e controle de rastreamento de trajetória. Primeiro, arquiteturas neurais são usadas para capturar as características do pneu na interação entre a dinâmica lateral e longitudinal do veículo, reduzindo o custo computacional em controladores preditivos. Em segundo lugar, uma combinação de modelos caixa-preta é usada para melhorar o controle preditivo. Em seguida, uma abordagem híbrida combina modelos baseados na física e orientados por dados com modelagem de caixa-preta das discrepâncias. Essa abordagem é escolhida para melhorar a precisão da modelagem de veículos, propondo um modelo de discrepância para capturar incompatibilidades entre modelos de veículos e dados medidos. Os resultados são mostrados quando os métodos propostos são aplicados a sistemas com dados simulados/reais e comparados com abordagens encontradas na literatura, mostrando um aumento de precisão (até 40 por cento) em termos de métricas baseadas em erro, com menor esforço computacional (redução de até 88 por cento) do que os controladores preditivos convencionais. / [en] Automated vehicles must travel in a given environment detecting, planning, and following a safe path. In order to be safer than humans, they must be able to perform these tasks as well or better than human drivers under different critical conditions. An essential part of the study of automated vehicles is the development of representative models that are accurate and computationally efficient. Thus, to cope with these problems, the present work applies artificial neural networks and system identification methods to perform vehicle modeling and trajectory tracking control. First, neural architectures are used to capture tire characteristics present in the interaction between lateral and longitudinal vehicle dynamics, reducing computational costs for predictive controllers. Secondly, a combination of black-box models is used to improve predictive control. Then, a hybrid approach combines physics-based and data-driven models with black-box modeling of the discrepancies. This approach is chosen to improve the accuracy of vehicle modeling by proposing a discrepancy model to capture mismatches between vehicle models and measured data. Results are shown when the proposed methods are applied to systems with simulated/real data and compared with approaches found in the literature, showing an increase of accuracy (up to 40 percent) in terms of error-based metrics while having lesser computational effort (reduction by up to 88 percent) than conventional predictive controllers.

[pt] Empresas de exploração de petróleo e gás offshore frequentemente precisam lidar com problemas relacionados ao uso eficiente de seus recursos. Neste trabalho, abordamos um problema de programação de navios associado à logística offshore de petróleo e gás – O Problema de Programação de Embarcações do tipo Pipe-Laying support Vessel (PLSVSP). Essas embarcações são especialmente projetadas para realizar conexões de dutos entre poços de petróleo submarinos e plataformas de produção. A conexão de dutos é a última etapa a ser executada para permitir a drenagem do óleo e iniciar a produção em um poço. No PLSVSP, o objetivo é antecipar a conclusão de poços mais produtivos. O problema pode ser visto como uma variante de um problema de programação de lotes com máquinas paralelas idênticas e tempos de configuração não antecipados por família para minimizar o total weighted completion time. Nessa analogia, embarcações são as máquinas, poços são as tarefas e lotes são as viagens executadas por PLSVs, definindo quais poços devem ser conectados a cada saída do porto. Foram desenvolvidas diversas abordagens de otimização para resolver as variantes determinística e estocástica do problema. Para a variante determinística, desenvolvemos métodos híbridos e uma metaheurística capazes de melhorar as soluções desenvolvidas por formulações MIP puras e lidar com o PLSVSP. Para a variante estocástica, foi desenvolvida uma simheurística utilizando simulação de Monte Carlo incorporada, considerando incertezas nas durações das conexões e nas datas de chegada dos oleodutos no porto. Os resultados mostram uma melhora significativa no custo das soluções quando lidam com incertezas em comparação com soluções geradas por um método determinístico. O uso da simulação em uma estrutura metaheurística mostrou-se uma abordagem promissora, capaz de lidar com o problema estocástico, com pouco esforço computacional extra necessário. / [en] Offshore oil and gas exploration companies frequently need to deal with problems related to the efficient use of their resources. In this work, we address a ship scheduling problem associated with offshore oil and gas logistics – The Pipe Laying Support Vessel Scheduling Problem (PLSVSP). These vessels are specially designed to perform pipeline connections between sub-sea oil wells and production platforms. The connections are the last step to be performed to allow the oil draining, starting production in a well. The PLSVSP objective is to anticipate the completion of the most productive wells. The problem can be seen as a variant of a batch scheduling problem with identical parallel machines and non-anticipatory family setup times to minimize the total weighted completion time. In this analogy, vessels are machines, wells are jobs, and batches are voyages executed by PLSVs, defining which wells to connect each time it leaves the port. We developed several optimization approaches to solve the deterministic and stochastic variants of the problem. For the deterministic problem, we developed hybrid methods and a metaheuristic that outperformed the pure MIP formulations, being practical to deal with the PLSVSP. A simheuristic using embedded Monte Carlo simulation was developed for the stochastic variant of the problem, considering uncertainties in the connection duration and the arrival dates of pipelines at the port. The results show a significant improvement in the solutions dealing with uncertainties compared to solutions generated by a deterministic method. The use of simulation within a metaheuristic framework proved to be a promising approach, being able to deal with the stochastic problem, with little extra computational effort required.

[pt] A modelagem numérica precisa de reservatórios de petróleo ainda é um desafio, devido às heterogeneidades do meio poroso e à existência de estruturas geológicas com geometrias complexas, tais como: fraturas, estratificações e heterogeneidades, que influenciam decisivamente o escoamento dos fluidos através dessas formações. O presente trabalho analisa a implementação de duas formulações numéricas aplicadas ao fluxo bifásico em meios porosos em que se procura contornar as dificuldades mencionadas acima. Inicialmente, avalia-se uma formulação numérica que emprega um processo em três passos: o método dos elementos finitos, EF, para a solução da equação da pressão, intermediariamente, utiliza-se o método de Raviart-Thomas de mais baixa ordem, RT 0, para melhor aproximação da velocidade, e a resolução da equação da saturação pelo método dos elementos finitos descontínuos, MEFD. Também é avaliada uma formulação na qual se utiliza o método dos elementos finitos mistos e híbridos, EFH, para aproximar a equação da pressão, e o método MEFD para aproximar somente a equação de saturação. O estudo dessas formulações busca avaliar a conservação de massa e analisar o esforço computacional despendido. São apresentados exemplos que avaliam cada uma das formulações em comparação com resultados da literatura. / [en] Accurate numerical modeling of oil reservoirs is still a challenge due to heterogeneity of the porous medium and the existence of geological structures with complex geometries, such as fractures, stratifications and heterogeneities that decisively influence the flow of fluids through these formations. This paper analyzes two numerical formulations of two-phase flow that seek to circumvent the difficulties mentioned. Initially, it evaluates a numerical formulation that employs a three step process: the finite element method, for solving the pressure equation, intermediately, it uses the lowest-order Raviart-Thomas, RT 0,to the best approximation of the flow velocities, and finally the solution of the saturation equation by discontinuous finite element method (MEFD). Additionally, a formulation which utilizes the mixed and hybrid finite element method (EFH), to approximate the pressure equation, and uses MEFD to approximate the saturation equation. Both implemented formulations aim to assess the mass conservation and to analyze the necessary computational effort. Examples are presented which evaluate each of the formulations as compared with results existing in literature.

[pt] Esta tese refere-se ao estudo, pesquisa e fundamentação teórica dos vínculos e interações entre o Design e a propriedade intelectual (PI). As criações intelectuais em Design têm características compatíveis com a maioria das modalidades de resguardo definidas na PI. Contudo, é necessário entender corretamente o fluxo que estas percorrerem no sistema legal. O pouco domínio dos seus conteúdos e de suas interações acarreta dificuldades na gestão plena das criações intelectuais utilizando-se do sistema. Para permitir a compreensão do conjunto foi desenvolvida uma classificação sistematizada (taxonomia) dos conteúdos criativos da PI permitindo uma visão panorâmica do sistema a partir das características estéticas e técnicas das criações, dos conteúdos criativos derivados e dos objetos criativos híbridos. Com a taxonomia desenvolvida foi possível identificar os conteúdos criativos mínimos relacionados com cursos superiores de conteúdos projetivos e, especificamente, com habilitações e especialidades em Design. Foram tratados também dos espaços de interação entre o Design e a PI quando da coleta e análise de dados para projeto ou tomada de decisões estratégicas; da proteção, defesa, negociação e apropriação das criações intelectuais; e do exercício de novas competências pelo designer. Relacionadas com cada espaço de interação são indicadas as habilidades esperadas a serem alcançadas a partir do ensino-aprendizagem de PI. São habilidades baseadas nas recomendações de conteúdos curriculares de PI formuladas para cursos de Design. / [en] This thesis is on the study, research, and theoretical basis of the connections and interactions between design and intellectual property (IP). The intellectual creations of design encompass characteristics that are compatible with most protection modalities defined in IP. However, it is necessary to accurately comprehend their flow in the legal system. Limited knowledge of their contents and interactions poses difficulties in comprehensive management of intellectual creations using the system. To allow it to be understood in its entirety, a systemized classification has been developed (taxonomy) of the creative content of IP, enabling an overview of the system from the perspective of the aesthetic and technical characteristics of the creations, the derived creative content, and the hybrid creative objects. With the taxonomy, it was possible to identify the minimal creative content that corresponds to higher education courses of projective content and, specifically, to qualifications and specialties in design. Attention was also paid to the areas of interaction between design and IP related to the collection and analysis of project data or making strategic decisions; the protection, defense, negotiation, and appropriation of intellectual creations; and the exercise of new skills by the designer. The skills expected to be developed through teaching and learning IP are shown to be related to each area of interaction. These skills are based on the recommendations of the IP curriculum content, which is formulated for design courses.

[pt] Neste trabalho, busca-se atender a demanda energética de grandes clientes através de um sistema híbrido de energias renováveis (HSRE, em inglês), com o mínimo custo e diminuindo as emissões de poluentes. O sistema é construído a partir do uso de células fotovoltaicas, células a combustível e chillers elétricos. Quatro tipos de célula a combustível são testadas e avaliadas quanto a viabilidade: PAFC (ácido fosfórico), SOFC (sólido óxido), MCFC (carbonato fundido) e PEMFC (membrana trocadora de prótons). Para o caso da última, geradores de hidrogênio são simulados para suprir a demanda. Os resultados são comparados com o caso base, de toda a demanda sendo atendida pela concessionária de energia elétrica local. Varia-se o custo de aquisição e instalação dos equipamentos, o custo de aquisição de gás natural e o custo da energia elétrica, além da variação da demanda e de simular o cliente em diferentes cidades. A demanda hipotética é calculada a partir de valores de iluminâncias segundo normas técnicas para cada sala de um laboratório em construção em Xerém, no Rio de Janeiro. A simulação indica como resultado a viabilidade econômica de abastecimento pelo sistema híbrido, com geradores do tipo PAFC, SOFC e MCFC. A alta demanda de hidrogênio, juntamente com o custo atual para geração do mesmo inviabiliza o retorno com uso de células PEMFC. / [en] In this work, we seek to meet the energy demand of large customers through a hybrid system of renewable energy (HRSE), with minimal cost and reducing emissions. The system is built from the use of photovoltaic cells, fuel cells and electric chillers. 4 fuel cell types are tested and evaluated for viability: PAFC (phosphoric acid) SOFC (solid oxide), MCFC (molten carbonate) and PEMFC (proton exchange membrane). In the case of the latter, hydrogen generators are simulated to meet demand. The results are compared with the base case, that includes all the demand being met by the local power company. The cost of purchase and installation of equipment, the cost of acquisition of natural gas and the cost of electricity, as well as the demand variation and simulate the client in different cities are analyzed under different values. The hypothetical demand is calculated from illuminance values according to technical standards for each room of a laboratory under construction in Xerém, in Rio de Janeiro. The simulation result shows the economic viability supply the hybrid system The high demand for hydrogen with the current cost for generating the same prevents the payback form PEMFC fuel cells.

[pt] Este trabalho apresenta o estudo de comunicação óptica quântica no infravermelho, utilizando um sistema híbrido fibra-óptica – espaço-livre, como prova de princípio para o estabelecimento de chaves secretas a fim de utilização em criptografia do tipo one-time pad. Ao modular a polarização da luz de um laser em polarizações ortogonais, podem-se codificar os bits clássicos 1 e 0 em cada uma dessas polarizações, sendo detectadas por detectores contadores de fótons únicos, e, assim, utilizar o canal quântico para transmissão dos bits quânticos entre dois interlocutores, utilizandoos para o estabelecimento da chave criptográfica, que pode ser usada em qualquer tipo de informação a ser transmitida por um canal clássico ou quântico. Ao realizar a transmissão em espaço-livre, sujeita a variações climáticas, como temperatura atmosférica, luz solar, presença de nuvens, chuva e vento, foi também estudada a influência destes fenômenos na qualidade da transmissão e dos dados obtidos. Os resultados experimentais demonstraram consistência com a teoria e com outros trabalhos publicados na área até esta data com relação às taxas de erro de bit quântico e também à taxa de transmissão de bits. As taxas de erro obtidas, por estarem abaixo do limiar teórico para segurança da informação em comunicação quântica, provam, ainda, a possibilidade de estabelecimento de chave secreta para criptografia através do uso de distribuição quântica das chaves (QKD). Os resultados também apresentaram boa qualidade da informação recuperada após a descriptografia. / [en] This work presents the study of optical quantum communication in the infrared region, using a hybrid optical-fiber – free-space system, as proof of principle for the agreement on secret keys by two parties for use in one-time pad encryption. By modulating the polarization of laser light into orthogonal polarizations, one can encode the classic bits 1 and 0 in each of these polarizations, being detected by single photon counter detectors, and can use the quantum channel to transmit the quantum bits between two interlocutors. It is then possible to use those bits to establish the cryptographic key, which can be used in any type of information to be transmitted by a classic or quantum channel. While carrying out transmission in free space optics, subject to climatic variations, such as atmospheric temperature, sunlight, presence of clouds and rain, and the presence of wind, the influence of these phenomena on the quality of transmission and on the data obtained was also studied. The experimental results showed consistency with the theory and with other works published to date with regard to quantum bit error rates and to the bit rate. The error rates obtained, being below the theoretical threshold for information security in quantum communication, further proves the possibility of establishing a secret key for encryption through the use of quantum key distribution (QKD). It also presented good quality on the information recovered after decryption.