A demanda crescente por petróleo impulsiona a exploração marítima desta riqueza para águas cada vez mais profundas. O aumento da lâmina dágua exige novas soluções de engenharia principalmente no que se refere à operação de unidades flutuantes de produção. Dentre os desafios impostos pelos novos ambientes de prospecção, destaca-se o processo de ancoragem, neste texto explorado sob a ótica da chamada estaca-torpedo. Embora já tenha sido empregada com sucesso na ancoragem de risers e FPSOs, esta solução encontra-se em constante desenvolvimento, sendo a principal fonte de informação acerca dos lançamentos da estaca-torpedo proveniente de uma unidade de medição inercial (UMI). A presente pesquisa baseou-se no estudo desta UMI e teve como objetivos principais verificar seu desempenho e compreender a empregabilidade deste tipo de monitoração em operações submarinas de maneira mais ampla. Além do estudo detalhado dos sensores, foi dada especial atenção aos algoritmos empregados no tratamento dos sinais provenientes da UMI. Foram estudadas técnicas de correção do sinal, quantificação de ruído, desafios inerentes aos sistemas do tipo strapdown e o processo de integração. Como resultado final foi desenvolvido um algoritmo baseado em quatérnios, alternativo ao atualmente empregado para o processamento dos sinais provenientes da UMI que equipa a estaca-torpedo. / The increasing demand on crude oils constantly pushes the offshore exploitation to deeper waters. As the water depth grows, new engineering challenges arise, especially concerning to the operation of floating production units. Among all the technical issues inherent to the new prospection environment, the mooring system is a significant topic and the development of the torpedo-pile takes place at this scenario. This mooring system has already been successfully applied in anchoring risers and FPSOs; nevertheless, it is in constant study and improvement. The major source of information about the torpedo-pile deployment comes from an inertial measurement unit (IMU). The research presented here is based on this IMU and had as main objective verify its performance and also comprehend the applicability of such kind of unit in other subsea processes. Along with the detailed sensors study, it was given special attention to the algorithms used to process the signals from the IMU. Signal correction techniques and noise quantification were investigated as long as challenges intrinsically related to strapdown navigation systems and the integration process. In the end, an alternative data processing algorithm based on quaternions was produced, to be employed in torpedo-pile launching together with its IMU.

Submitted by Kevin Quispe (kgmq@icomp.ufam.edu.br) on 2018-10-26T19:02:31Z No. of bitstreams: 1 dissertação-kevin-quispe-final.pdf: 2744401 bytes, checksum: cf4d3337afb0d9fa244abbd4ec3d1a5a (MD5) / Approved for entry into archive by Secretaria PPGI (secretariappgi@icomp.ufam.edu.br) on 2018-10-26T19:07:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 dissertação-kevin-quispe-final.pdf: 2744401 bytes, checksum: cf4d3337afb0d9fa244abbd4ec3d1a5a (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2018-10-26T19:15:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 dissertação-kevin-quispe-final.pdf: 2744401 bytes, checksum: cf4d3337afb0d9fa244abbd4ec3d1a5a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-26T19:15:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertação-kevin-quispe-final.pdf: 2744401 bytes, checksum: cf4d3337afb0d9fa244abbd4ec3d1a5a (MD5) Previous issue date: 2018-08-14 / Human activity recognition (RAH) through sensors embedded in wearable devices such as smartphones has allowed the development of solutions capable of monitoring human behavior. However, such solutions have presented limitations in terms of efficiency in the consumption of computational resources and generalization for different application or data domain configurations. These limitations are explored in this work in the feature extraction process, in which existing solutions use a manual approach to extract the characteristics of the sensor data. To overcome the problem, this work presents an automatic approach to feature extraction based on the symbolic representation of time series --- representation defined by sets of discrete symbols (words). In this context, this work presents an extension of the symbolic representation of the Bag-Of-SFA-Symbols (BOSS) method to handle the processing of multiple time series, reduce data dimensionality and generate compact and efficient classification models. The proposed method, called Multivariate Bag-Of-SFA-Symbols (MBOSS), is evaluated for the classification of physical activities from data of inertial sensors. Experiments are conducted in three public databases and for different experimental configurations. In addition, the efficiency of the method is evaluated in aspects such as computing time and data space. The results, in general, show an efficiency of classification equivalent to the solutions based on the traditional approach of manual extraction, highlighting the results obtained in the database with nine classes of activities (UniMib SHAR), where MBOSS obtained an accuracy of 99% and 87% for the custom and generalized template, respectively. The efficiency results of MBOSS demonstrate the low computational cost of the solution and show the feasibility of application in smartphones. / O reconhecimento de atividade humanas (RAH) por meio de sensores embutidos em dispositivos vestíveis como, por exemplo, smartphones tem permitido o desenvolvimento de soluções capazes de monitorar o comportamento humano. No entanto, tais soluções têm apresentado limitações em termos de eficiência no consumo dos recursos computacionais e na generalização para diferentes configurações de aplicação ou domínio de dados. Essas limitações são exploradas neste trabalho no processo de extração de características, na qual as soluções existentes utilizam uma abordagem manual para extrair as características dos dados de sensores. Para superar o problema, este trabalho apresenta uma abordagem automática de extração de características baseada na representação simbólica de séries temporais --- representação definida por conjuntos de símbolos discretos (palavras). Nesse contexto, este trabalho apresenta uma extensão do método de representação simbólica Bag-Of-SFA-Symbols (BOSS) para lidar com o processamento de múltiplas séries temporais, reduzir a dimensionalidade dos dados e gerar modelos de classificação compactos e eficiêntes. O método proposto, denominado Multivariate Bag-Of-SFA-Symbols (MBOSS), é avaliado para a classificação de atividades físicas a partir de dados de sensores inerciais. Experimentos são conduzidos em três bases de dados públicas e para diferentes configurações experimentais. Além disso, avalia-se a eficiência do método em aspectos como tempo de computação e espaço de dados. Os resultados, em geral, demostram uma eficácia de classificação equivalente as soluções baseadas na abordagem comun de extração manual de características, destacando os resultados obtidos na base de dados com nove classes de atividades (UniMib SHAR), onde o MBOSS obteve uma acurácia de 99% e 87% para o modelo personalizado e generalizado, respectivamente. Os resultados de eficiência do MBOSS demostram o baixo custo computacional da solução e mostram a viabilidade de aplicação em smartphones.

[pt] O desempenho de sistemas inerciais de navegação ou de indicação de rumo e atitude é fortemente ligado à qualidade metrológica dos sensores inerciais, acelerômetros e giroscópios, que compõem esses sistemas. É proposta uma metodologia para calibração e cálculo de incertezas de acelerômetros pendulares servo controlados do tipo Q-flex e de giroscópios de dois graus de liberdade do tipo sintonizado seco ou DTG. É proposta uma metodologia para calcular o envelope de incerteza dos parâmetros de navegação e estabilização fornecidos por um sistema inercial ao longo de um perfil dinâmico previamente estabelecido. Estes estudos servirão de base para emissão de laudos de calibração de acelerômetros e giroscópios pelo Laboratório de Sensores Inerciais do Instituto de Pesquisas da Marinha, assim como orientação em projetos de sensores inerciais a serem fabricados no Brasil e análise de desempenho de sistemas a partir de um perfil dinâmico típico. / [en] The performance of navigation and attitude or heading indication of inertial systems is directly influenced by the metrological quality of the accelerometers and gyroscopes used for supplying information to the servo controlled systems. This thesis presents a methodology for estimating the metrological confidence level of servo controlled pendular accelerometer and dry tuned gyroscope parameters. This thesis also presents a methodology for calculating the uncertainty envelope of inertial system parameters as a function of time when submitted to a dynamic profile. Based on these studies the Navy Research Institute Inertial Laboratory will be able to provide detailed test report on the inertial systems. The methodologies that were developed in this thesis will help design people to achieve a better performance when a typical dynamic profile is applied to an inertial system.

Variações temporais na tensão de cisalhamento do vento, na Plataforma Continental Sudeste do Brasil (PCSE), perturbam o equilíbrio geostrófico gerando movimentos com frequências próximas à inercial local. Estas perturbações se propagam horizontalmente e verticalmente, interagindo com o fluxo médio e alterando as características hidrográficas e hidrodinâmicas. Foram analisados dados observacionais de corrente, registrados por correntógrafos fundeados às isóbatas de 50 m e 100 m, ao largo de Arraial do Cabo (RJ) e Ubatuba (SP), de vento registrados por bóias meteorológicas e de salinidade e temperatura perfilados em função da profundidade em estações hidrográficas, obtidos no âmbito do Projeto DEPROAS (Dinâmica do Ecossistema de Plataforma da Região Oeste do Atlântico Sul), entre 2001 e 2002. Os resultados das análises indicaram que a média de duração dos eventos de oscilações inerciais é 7,5 dias com desvio padrão de 3,8 dias, sendo 6,8 o número médio de oscilações em cada evento (desvio padrão de 3,3 oscilações). O período inercial efetivo médio foi calculado em 26,5 h com deslocamento médio da frequência inercial em 12,2%, devido ao desvio Doppler causado pelas interações com a vorticidade relativa do fluxo básico. As correntes inerciais horizontais, filtradas a partir das séries correntográficas, apresentaram valores entre 3 e 10 cm/s. Foi observada propagação vertical das oscilações inerciais e calculado o valor da velocidade de grupo vertical em -2,59 .10-2 cm.s-1. A partir desse resultado, foi obtido o valor de 28,3 m de profundidade para o valor máximo de velocidade vertical das partículas de água na onda interna inercial forçada pela oscilação das isotermas, em acordo com resultados observados de máxima corrente inercial logo abaixo da camada de mistura. O valor calculado para a amplitude da oscilação vertical das isotermas foi 17,2 m, próximo aos 19 m registrado com os resultados observacionais em períodos de mudança do campo de ventos. O modelo numérico hidrodinâmico ROMS (Regional Ocean Modelling System) comprovou resultados observacionais em relação à capacidade de mudanças na tensão de cisalhamento do vento, em períodos menores que o inercial local, gerarem oscilações inerciais. Os resultados numéricos com o ROMS permitiram analisar a interação das oscilações inerciais com o fluxo médio em diferentes regiões da PCSE, através de diferentes condições de estratificação da coluna de água e, a partir da trajetória de pseudoderivadores, estimar os raios das trajetórias com ordem 10 km. / Temporal variations in the wind stress, on the South Brazil Bight, disturb the geostrophic equilibrium and generate motion with near inertial frequencies. The disturbances propagate horizontally and vertically, interacting with the basic motions and altering the hydrodynamics and hydrographic characteristics. Observational data of currents, collected by currentmeters deployed in the 50 m and 100 m isobaths, offshore Arraial do Cabo (RJ) and Ubatuba (SP), of winds collected in meteorological buoys and of salinity and temperature vertically profiled in hydrographic stations, during the project DEPROAS (Dinâmica do Ecossistema de Plataforma da Região Oeste do Atlântico Sul), in the years of 2001 and 2002, have been analyzed. Results showed that the mean duration of the inertial oscillations events is 7.5 days, with standard deviation of 3.8 days, being 6.8 the mean number of oscillations in each event (standard deviation of 3.3 oscillations). The calculated mean effective inertial period is 26.5 h, with a mean difference of the local inertial frequency of 12.2% due to the Doppler shift caused by interactions with the relative vorticity of the basic flow. The horizontal inertial currents, filtered from the current time series, presented values between 3 and 10 cm/s. Vertical propagation of the inertial oscillations were observed and the calculated value for the vertical group velocity was -2.59 . 10-2 cm/s. From these results, the calculated value for the depth of maximum water vertical velocity was 28.3 m for the internal inertial wave forced by the isotherms oscillations, in accordance with results observed of maximum vertical velocities occurring below the mixing layer. The calculated value for the amplitude of vertical oscillations of isotherms was 17.2 m, approximately equal to the 19 m observed in the data set during periods of wind shift. The numerical hydrodynamical model ROMS (Regional Ocean Modeling System) confirmed the observational results that changes in the wind field with periods smaller than the local inertial period generate inertial oscillations. The numerical results with ROMS allowed to analyze the interaction between the inertial oscillations and the basic flow in different regions of the South Brazil Bight, due to vertical different stratification characteristics of the sea water, and from the trajectories of pseudo-drifters it was possible to estimate the radius of the trajectories as having order of magnitude of 10 km.

Apresenta-se o desenvolvimento de modelos matemáticos e algoritmos de fusão sensorial para navegação terrestre usando uma unidade de medição inercial (UMI) de baixo desempenho e o Filtro Estendido de Kalman. Os modelos foram desenvolvidos com base nos sistemas de navegação inercial strapdown (SNIS). O termo baixo desempenho refere-se à UMIs que por si só não são capazes de efetuar o auto- alinhamento por girocompassing. A incapacidade de se navegar utilizando apenas uma UMI de baixo desempenho motiva a investigação de técnicas que permitam aumentar o grau de precisão do SNIS com a utilização de sensores adicionais. Esta tese descreve o desenvolvimento do modelo completo de uma fusão sensorial para a navegação inercial de um veículo terrestre usando uma UMI de baixo desempenho, um hodômetro e uma bússola eletrônica. Marcas topográficas (landmarks) foram instaladas ao longo da trajetória de teste para se medir o erro da estimativa de posição nesses pontos. Apresenta-se o desenvolvimento do Filtro de Kalman Adaptativo Suavizado (FKAS), que estima conjuntamente os estados e o erro dos estados estimados do sistema de fusão sensorial. Descreve-se um critério quantitativo que emprega as incertezas de posição estimadas pelo FKAS para se determinar a priori, dado os sensores disponíveis, o intervalo de tempo máximo que se pode navegar dentro de uma margem de confiabilidade desejada. Conjuntos reduzidos de landmarks são utilizados como sensores fictícios para testar o critério de confiabilidade proposto. Destacam-se ainda os modelos matemáticos aplicados à navegação terrestre, unificados neste trabalho. Os resultados obtidos mostram que, contando somente com os sensores inerciais de baixo desempenho, a navegação terrestre torna-se inviável após algumas dezenas de segundos. Usando os mesmos sensores inerciais, a fusão sensorial produziu resultados muito superiores, permitindo reconstruir trajetórias com deslocamentos da ordem de 2,7 km (ou 15 minutos) com erro final de estimativa de posição da ordem de 3 m. / This work presents the development of the mathematical models and the algorithms of a sensor fusion system for terrestrial navigation using a low-grade inertial measurement unit (IMU) and the Extended Kalman Filter. The models were developed on the basis of the strapdown inertial navigation systems (SINS). Low-grade designates an IMU that is not able to perform girocompassing self-alignment. The impossibility of navigating relying on a low performance IMU is the motivation for investigating techniques to improve the SINS accuracy with the use of additional sensors. This thesis describes the development of a comprehensive model of a sensor fusion for the inertial navigation of a ground vehicle using a low-grade IMU, an odometer and an electronic compass. Landmarks were placed along the test trajectory in order to allow the measurement of the error of the position estimation at these points. It is presented the development of the Smoothed Adaptive Kalman Filter (SAKF), which jointly estimates the states and the errors of the estimated states of the sensor fusion system. It is presented a quantitative criteria which employs the position uncertainties estimated by SAKF in order to determine - given the available sensors, the maximum time interval that one can navigate within a desired reliability. Reduced sets of landmarks are used as fictitious sensors to test the proposed reliability criterion. Also noteworthy are the mathematical models applied to terrestrial navigation that were unified in this work. The results show that, only relying on the low performance inertial sensors, the terrestrial navigation becomes impracticable after few tens of seconds. Using the same inertial sensors, the sensor fusion produced far better results, allowing the reconstruction of trajectories with displacements of about 2.7 km (or 15 minutes) with a final error of position estimation of about 3 m.

Esta dissertação descreve estudo sobre quantificação de erros na identificação de sistemas advindos de uma baixa freqüência de amostragem e um sinal de excitação ruim, que não consiga excitar o sistema com a largura de banda desejada. Esses erros comprometem a precisão de uma boa identificação, ainda mais quando se trata da dinâmica dos sensores inerciais. Para conhecer as características desses sensores são usados simuladores de movimento, que na situação tinha a banda passante menor que a do sensor sob teste, ou seja, não se conseguia excitar toda a freqüência de largura de banda sensor. Diante desse erro, este trabalho teve seu estudo em identificação de sistema usando modelos como: ARX, ARMAX, BJ, OE e INVFREQ, no sentido de quantificar os erros nos resultados obtidos através de ensaios, utilizando duas funções de transferência muito próxima das funções reais utilizadas.

Devido à dificuldade em se desenvolver um sistema de controle baseado no modelo da planta, principalmente quando a mesma possui diversos graus de liberdade, busca-se uma metodologia a fim de minimizar o tempo e os esforços para projetar o sistema de controle. A metodologia consiste na utilização de um software de sistemas multicorpos, para a geração do conjunto de equações que descrevem o comportamento dinâmico, a partir de características físicas do sistema, tais como: massa, centro de massa, momentos principais de inércia, dimensões dos elos e juntas com determinados graus de liberdade. Para determinação das características físicas, são utilizadas técnicas experimentais, procedimentos e instrumentação para identificação com acuracidade controlada dos centros de massa e dos momentos principais de inércia dos elos. Estes são considerados corpos rígidos não homogêneos, algumas vezes acoplados por juntas de movimento, não sendo possível desacoplá-los. O sistema de controle utiliza um sistema com realimentação de estados com observador, capaz de fornecer resultados satisfatórios. O observador é utilizado para diminuir o número de estados medidos, facilitando a instrumentação do mecanismo. Esses procedimentos podem ser aplicados à maioria dos sistemas multicorpos, com muitos graus de liberdade, a fim de se obter um sistema de controle com desempenho e acuracidade predefinidos, para serem implementados em sistemas de aquisição e controle flexíveis, ou através de hardwares dedicados. Para validar essa metodologia, esta será aplicada ao protótipo de uma plataforma de movimento que, por conveniência de projeto, teve seus graus de liberdade controlados limitados a dois. Seu acionamento dá-se por servomotores brushless, atuadores de fusos de esferas, utilizando-se sensores de posição linear por magnetostrição e angular ópticos. O fato do número de graus de liberdade ter sido reduzido a dois não invalida a metodologia, caso seja necessário aplicá-la a sistemas com qualquer número de graus de liberdade. / The difficulty to develop a control system based in the model of the plant, mainly when the plant has many degrees of freedom, motivated this work which presents a methodology to minimize the time and effort in developing the control system. The methodology consists on the use of a multibody systems software for generating the set of equations that describes the system dynamic behavior, starting from its physical characteristics such as mass, center of mass, principal moments of inertia, dimensions of the links and joints with certain degrees of freedom coupling the links. For the physical characteristics determination, experimental techniques, procedures and instrumentation are used to identify, with controlled accuracy, the links centers of mass and principal moments of inertia, being the plant considered formed by non homogeneous rigid bodies, sometimes coupled by joints of movement and not being possible to uncouple them. For the control system a state feedback control system with estimator is used, capable of suppling satisfactory results. An estimator is used to reduce the number of measured states facilitating the mechanism instrumentation. Those procedures can be applied to most of multibody systems with several degrees of freedom to obtain a control system with performance and accuracy previously defined to be implemented in a flexible acquisition and control board or dedicated hardware. To validate this methodology, it will be applied to a prototype of a movement platform, which, for project convenience had their controlled degrees of freedom limited to two. The platform is driven by brushless servomotors, has actuators with spindle bearings, using sensors of linear position by magnetostriction and angular by optical principle. The fact of the number of degrees of freedom being reduced to two doesn\'t invalidate the methodology in case it is necessary to apply it to systems with any number of degrees of freedom.

Submitted by Vasti Diniz (vastijpa@hotmail.com) on 2017-09-11T14:24:18Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2910617 bytes, checksum: 78d320ecf6eab76dd1627257ec1aa34d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-11T14:24:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2910617 bytes, checksum: 78d320ecf6eab76dd1627257ec1aa34d (MD5) Previous issue date: 2017-03-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Electromagnetic fields acting on particles have been extensively studied in different areas of physics. In quantum mechanics for example, effects such as Aharonov-Bohm, Landau levels and Hall conductivity, have always motivated new papers including analogous inertial models. Inertial effects play an important role in classical mechanics, but have been largely ignored in quantum mechanics. However, the analogy between inertial forces on mass particles and electromagnetic forces on charged particles is not new. Another factor that may influence the classical and quantum behavior of particles is geometry. An element related to geometry that has been extensively studied in several areas is the topological defect. Topological defects represent an interface between areas such as cosmology, gravitation, and condensed matter. Such defects in condensed matter can be developed through the classical theory of elasticity. However, due to the interdisciplinarity of this theme, approaches from gravitation can also describe them. Based on this analogy, the medium formed by a topological defect is characterized by a metric tensor. From this approach, several problems can be discussed by analyzing the influence of the topological defect in the solution of the problem. In this work, it will be discussed how magnetic field, rotation and topological defects, especially the disclination, influence in the Landau Levels and the Hall conductivity for a noninteracting planar two-dimensional electron gas. First we will discuss the influence of each of these elements and then the influence of all of them simultaneously. / A atuação de campos eletromagnéticos em partículas têm sido extensivamente estudada em diferentes áreas da física. Em mecânica quântica por exemplo, efeitos como Aharonov-Bohm, níveis de Landau e condutividade Hall, têm sempre motivado novos trabalhos inclusive para modelos análogos inerciais. Os efeitos inerciais desempenham um papel importante na mecânica clássica, mas tem sido largamente ignorados em mecânica quântica. No entanto, a analogia entre forças inerciais sobre partículas de massa e forças eletromagnéticas sobre partículas carregadas não é nova. Um outro fator que pode influenciar no comportamento clássico e quântico de partículas é a geometria. Um elemento relacionado a geometria e que tem sido bastante estudado em diversas áreas, é o defeito topológico. Os defeitos topológicos representam uma interface entre áreas como cosmologia, gravitação e matéria condensada. Tais defeitos em matéria condensada podem ser desenvolvidos através da teoria clássica da elasticidade. Contudo, devido a interdisciplinaridade desse tema, abordagens provenientes da gravitação podem também descrevê-los. Com base nessa analogia, caracteriza-se o meio formado por um defeito topológico mediante um tensor métrico. A partir dessa abordagem, diversos problemas podem ser discutidos analisando a influência do defeito topológico na solução do problema. Nesse trabalho, será discutido como campo magnético, rotação e defeitos topológicos, em especial a desclinação, influenciam os níveis de Landau e a condutividade Hall para um gás de elétrons bidimensional planar não interagente. Primeiramente discutiremos a influência de cada um desses elementos e em seguida a influência de todos simultaneamente. Será mostrado como a rotação quebra a degenerescência dos níveis de Landau aumentando consequentemente a condutividade Hall. Será mostrado também que acoplamento dos três elementos gera uma região para campos magnéticos fracos com sem estados ligados. Com um outro ponto de partida mostraremos também que a rotação pode ser utilizada para sintonizar a condutividade Hall.

Devido à dificuldade em se desenvolver um sistema de controle baseado no modelo da planta, principalmente quando a mesma possui diversos graus de liberdade, busca-se uma metodologia a fim de minimizar o tempo e os esforços para projetar o sistema de controle. A metodologia consiste na utilização de um software de sistemas multicorpos, para a geração do conjunto de equações que descrevem o comportamento dinâmico, a partir de características físicas do sistema, tais como: massa, centro de massa, momentos principais de inércia, dimensões dos elos e juntas com determinados graus de liberdade. Para determinação das características físicas, são utilizadas técnicas experimentais, procedimentos e instrumentação para identificação com acuracidade controlada dos centros de massa e dos momentos principais de inércia dos elos. Estes são considerados corpos rígidos não homogêneos, algumas vezes acoplados por juntas de movimento, não sendo possível desacoplá-los. O sistema de controle utiliza um sistema com realimentação de estados com observador, capaz de fornecer resultados satisfatórios. O observador é utilizado para diminuir o número de estados medidos, facilitando a instrumentação do mecanismo. Esses procedimentos podem ser aplicados à maioria dos sistemas multicorpos, com muitos graus de liberdade, a fim de se obter um sistema de controle com desempenho e acuracidade predefinidos, para serem implementados em sistemas de aquisição e controle flexíveis, ou através de hardwares dedicados. Para validar essa metodologia, esta será aplicada ao protótipo de uma plataforma de movimento que, por conveniência de projeto, teve seus graus de liberdade controlados limitados a dois. Seu acionamento dá-se por servomotores brushless, atuadores de fusos de esferas, utilizando-se sensores de posição linear por magnetostrição e angular ópticos. O fato do número de graus de liberdade ter sido reduzido a dois não invalida a metodologia, caso seja necessário aplicá-la a sistemas com qualquer número de graus de liberdade. / The difficulty to develop a control system based in the model of the plant, mainly when the plant has many degrees of freedom, motivated this work which presents a methodology to minimize the time and effort in developing the control system. The methodology consists on the use of a multibody systems software for generating the set of equations that describes the system dynamic behavior, starting from its physical characteristics such as mass, center of mass, principal moments of inertia, dimensions of the links and joints with certain degrees of freedom coupling the links. For the physical characteristics determination, experimental techniques, procedures and instrumentation are used to identify, with controlled accuracy, the links centers of mass and principal moments of inertia, being the plant considered formed by non homogeneous rigid bodies, sometimes coupled by joints of movement and not being possible to uncouple them. For the control system a state feedback control system with estimator is used, capable of suppling satisfactory results. An estimator is used to reduce the number of measured states facilitating the mechanism instrumentation. Those procedures can be applied to most of multibody systems with several degrees of freedom to obtain a control system with performance and accuracy previously defined to be implemented in a flexible acquisition and control board or dedicated hardware. To validate this methodology, it will be applied to a prototype of a movement platform, which, for project convenience had their controlled degrees of freedom limited to two. The platform is driven by brushless servomotors, has actuators with spindle bearings, using sensors of linear position by magnetostriction and angular by optical principle. The fact of the number of degrees of freedom being reduced to two doesn\'t invalidate the methodology in case it is necessary to apply it to systems with any number of degrees of freedom.

Apresenta-se o desenvolvimento de modelos matemáticos e algoritmos de fusão sensorial para navegação terrestre usando uma unidade de medição inercial (UMI) de baixo desempenho e o Filtro Estendido de Kalman. Os modelos foram desenvolvidos com base nos sistemas de navegação inercial strapdown (SNIS). O termo baixo desempenho refere-se à UMIs que por si só não são capazes de efetuar o auto- alinhamento por girocompassing. A incapacidade de se navegar utilizando apenas uma UMI de baixo desempenho motiva a investigação de técnicas que permitam aumentar o grau de precisão do SNIS com a utilização de sensores adicionais. Esta tese descreve o desenvolvimento do modelo completo de uma fusão sensorial para a navegação inercial de um veículo terrestre usando uma UMI de baixo desempenho, um hodômetro e uma bússola eletrônica. Marcas topográficas (landmarks) foram instaladas ao longo da trajetória de teste para se medir o erro da estimativa de posição nesses pontos. Apresenta-se o desenvolvimento do Filtro de Kalman Adaptativo Suavizado (FKAS), que estima conjuntamente os estados e o erro dos estados estimados do sistema de fusão sensorial. Descreve-se um critério quantitativo que emprega as incertezas de posição estimadas pelo FKAS para se determinar a priori, dado os sensores disponíveis, o intervalo de tempo máximo que se pode navegar dentro de uma margem de confiabilidade desejada. Conjuntos reduzidos de landmarks são utilizados como sensores fictícios para testar o critério de confiabilidade proposto. Destacam-se ainda os modelos matemáticos aplicados à navegação terrestre, unificados neste trabalho. Os resultados obtidos mostram que, contando somente com os sensores inerciais de baixo desempenho, a navegação terrestre torna-se inviável após algumas dezenas de segundos. Usando os mesmos sensores inerciais, a fusão sensorial produziu resultados muito superiores, permitindo reconstruir trajetórias com deslocamentos da ordem de 2,7 km (ou 15 minutos) com erro final de estimativa de posição da ordem de 3 m. / This work presents the development of the mathematical models and the algorithms of a sensor fusion system for terrestrial navigation using a low-grade inertial measurement unit (IMU) and the Extended Kalman Filter. The models were developed on the basis of the strapdown inertial navigation systems (SINS). Low-grade designates an IMU that is not able to perform girocompassing self-alignment. The impossibility of navigating relying on a low performance IMU is the motivation for investigating techniques to improve the SINS accuracy with the use of additional sensors. This thesis describes the development of a comprehensive model of a sensor fusion for the inertial navigation of a ground vehicle using a low-grade IMU, an odometer and an electronic compass. Landmarks were placed along the test trajectory in order to allow the measurement of the error of the position estimation at these points. It is presented the development of the Smoothed Adaptive Kalman Filter (SAKF), which jointly estimates the states and the errors of the estimated states of the sensor fusion system. It is presented a quantitative criteria which employs the position uncertainties estimated by SAKF in order to determine - given the available sensors, the maximum time interval that one can navigate within a desired reliability. Reduced sets of landmarks are used as fictitious sensors to test the proposed reliability criterion. Also noteworthy are the mathematical models applied to terrestrial navigation that were unified in this work. The results show that, only relying on the low performance inertial sensors, the terrestrial navigation becomes impracticable after few tens of seconds. Using the same inertial sensors, the sensor fusion produced far better results, allowing the reconstruction of trajectories with displacements of about 2.7 km (or 15 minutes) with a final error of position estimation of about 3 m.