Esta tese apresenta o desenvolvimento de um acelerômetro MEMS para navegação inercial. O projeto teve que aderir e superar as fortes limitações do serviço de fabricação multi-usuário e dos escassos recursos de pós-processamento disponíveis. O elemento sensível usa a topologia de placas paralelas com realimentação de força. A deflexão da massa de prova, decorrente de uma aceleração externa, gera variação diferencial nas capacitâncias do sensor. Essa deflexão é compensada pela aplicação de força eletrostática na massa de prova. O esforço necessário para cancelar a aceleração externa torna-se então a medida do acelerômetro. A eletrônica proposta usa um amplificador de carga em circuito integrado e um circuito externo para realizar a lei de controle e gerar a realimentação de força. O desempenho teórico/simulado é de 40 ug/sqrtHz de ruído mecânico, 100 Hz de largura de banda e 10 g de fundo de escala. Este desempenho é bastante adequado para uso em navegação inercial de diversas aplicações. Foi feito o projeto do sensor MEMS, de blocos da eletrônica integrada e do compensador de realimentação de força. Para testar o conceito do circuito de leitura do sensor, foi projetada e testada uma montagem discreta. O sensor MEMS foi fabricado pelo serviço multi-usuário da MEMSCAP. Uma amostra foi pós-processada no laboratório CCS-Unicamp: foi feita uma corrosão sobre a placa central e posterior wedge bonding para a montagem. A montagem apresentou dificuldades e não foi concluída. Da eletrônica, duas rodadas de microfabricação foram realizadas na austriamicrosystems. A primeira consistiu em circuitos baseados em amplificador operacional, enquanto a segunda foi uma fonte de referência bandgap. Foram realizados os testes de ambos os circuitos integrados, que positivamente verificaram os resultados de simulação.

Sistemas de navegação inercial (INS) possuem erros de posição, velocidade e atitude divergentes com o tempo em uma taxa dependente da precisão dos sensores inerciais. Por outro lado, as taxas divergentes da INS, sistemas de posicionamento global por satélites (GNSS) e dispositivos imageadores (SD) fornecem medidas de posição, velocidade e desalinhamento com erros limitados e em baixas frequências. A complementariedade das características dos sistemas motiva a fusão de dados. A estratégia tradicional de integração é o filtro de Kalman extendido (EKF) como estimador do vetor de erros. Sob certas condições, o filtro de Kalman é o estimador ótimo sob ampla variedade de critérios. Essas condições necessitam de uma modelagem acurada da dinâmica da planta e da sintonia das estatísticas do ruído de modelo e sensores. Portanto, erros de modelagem e sintonia impossibilitam otimalidade e consistência estatística do erro de estimação do filtro e ainda podem levá-lo à divergência. O presente trabalho aborda o problema de buscar a consistência estatística na operação do filtro de Kalman estendido através de técnicas de sintonia automática do ruído de modelagem, a saber, Estimação Adaptativa baseada em Inovação (IAE) e Escalonamento do Ruído de Modelo (SPN). Será experimentalmente demonstrado que IAE falha ao sintonizar o filtro. Será proposta uma alteração na estratégia IAE, a saber, Estimação Adaptativa baseada em Inovação Parcial (IAEP), que deixará o filtro consistente e habilitado a fornecer uma solução de navegação satisfatória. Resultados são obtidos por simulações, onde um veículo aéreo não-tripulado voa uma trajetória conhecida com medidas de sensores inerciais corrompidas por um modelo de constante aleatória e ruído branco. Erros de posição e velocidade, desalinhamento, bias de acelerômetro, deriva de girômetro e erros de relógio GNSS são estimados através da fusão INS/GNSS/SD e testados para consistência estatística em diversos cenários. Adicionalmente, o algoritmo de navegação inercial operando autonomamente é avaliado através de dados reais obtidos em um experimento em montanha-russa.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de uma unidade de navegação inercial em tempo real utilizando sensores de baixo custo do tipo MEMS integrados a um Sistema de Posicionamento Global (GPS), por meio de um filtro de Kalman discreto, para aplicação em veículos autônomos. Um algoritmo de determinação de atitude foi também desenvolvido. No sistema implementado, os sinais provenientes de sensores inerciais (giroscópios e acelerômetros) e do GPS foram tratados por um microcontrolador de oito bits. As informações provenientes dos sensores MEMS são muito ruidosas, por este motivo, um algoritmo chamado superamostragem e decimação também foi implementado. Depois de tratados por todos os algoritmos contidos no sistema global, os dados então, são transmitidos via comunicação sem fio para um computador onde o estado (posição e velocidade) de uma plataforma móvel pode ser observado, por meio de uma interface gráfica desenvolvida em linguagem C. Os resultados obtidos demonstram que o sistema desenvolvido é confiável para aplicações em sistemas de navegação e controle, principalmente no VANT acadêmico que esta sendo desenvolvido pelo grupo de pesquisa em eletrônica embarcada do Instituto Tecnológica de Aeronáutica - ITA. O sistema final apresenta baixo custo financeiro em relação aos sistemas disponíveis no mercado tornando-se assim uma alternativa que pode ser usada como ferramenta em pesquisas acadêmicas e aplicações industriais.

Automação de veículos é uma ciência que vem crescendo nos últimos anos, ganhando espaço no setor militar e, principalmente, nas áreas de monitoramento e segurança, tanto pessoal quanto governamental.Este trabalho desenvolveu um sistema de navegação e determinação de atitude inercial para aeronaves não tripuladas, baseado em sensores de baixo custo. Utilizaram-se acelerômetros, girômetros e magnetômetros para inicializar e determinar a atitude da aeronave durante o voo, definida pelos três ângulos de Euler, ?, ?, ?; e computada através da matriz de rotação DCM. Foram incluídos sensores para posicionamento via GPS e de informações atmosféricas de altitude-pressão e velocidade em relação ao ar. Para que seja possível extrair o máximo de precisão utilizando sensores de baixo custo, foi estudado o processo de calibração de cada sensor, sendo que parâmetros de correção foram calculados individualmente para cada sensor, em vez de utilizar-se dos parâmetros típicos fornecidos pelos fabricantes. Foi feito um voo de teste com o sistema de navegação embarcado em um aeromodelo, e os valores de cada variável puderam ser comparadas com as demais para que, efetuando-se o cruzamento de informações, se verificasse a correta execução do sistema implementado.

O modelo dinâmico da aeronave é combinado com medidas obtidas com sensores GPS e INS visando obter redução nas incertezas de determinação de posição. Esta combinação é calculada de modo ótimo, no sentido de média quadrática, empregando-se o Filtro de Kalman Estendido para obter estimativas de posição com acurácia adequada para utilização em navegação de área (RNAV). As medidas obtidas com os sensores GPS e INS são simuladas através da utilização de modelos de erros conservativos para corromper a informação de posição dada pelo método dinâmico da aeronave. As medidas do GPS são disponibilizadas com freqüência de 2Hz enquanto que as do INS são disponibilizadas com 100Hz, sendo também esta a freqüência de atualização do Filtro de Kalman. Na configuração proposta, as estimativas de posição obtidas são suficientemente acuradas para garantir níveis RNP da ordem de 0,037 milha náutica durante um mínimo de 95% do tempo de vôo.

A marcha humana, ou caminhada, é um padrão cíclico de movimentos corporais que se repetem a cada passo que desloca um indivíduo de um local a outro. Atualmente, avaliações biomecânicas da marcha humana tem sido utilizado no diagnóstico de alterações neuromusculares, músculo-esqueléticas e como forma de avaliação pré e pós-tratamento cirúrgico, medicamentoso e/ou fisioterapêutico. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta acadêmica de baixo custo para o estudo da marcha humana. Esse sistema consiste no sensoriamento da marcha de um usuário através de sensores inerciais e de um modelo virtual do corpo humano para permitir a visualização do movimento gerado. Dessa maneira o usuário poderá ter suas ações corrigidas por sua percepção visual e também corrigida pelas orientações de um fisiatra ou fisioterapeuta que terá a reprodução do modelo virtual conforme a movimentação detalhada do paciente para análise. O sistema ainda efetuará os registros das variáveis cinemáticas da marcha (tais como aceleração, velocidade angular, angulações dos membros sensoriados) para estudos e acompanhamento mais detalhado da sua recuperação e/ou tratamento. Como resultado, o sistema desenvolvido obteve erros médios de X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º e erros em RMS de X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º quando comparados com um sistema comercial, sendo esse resultado próximo à literatura e aplicável em exames biomecânicos de marcha. / The human gait is a cyclical pattern of body movements that are repeated every step that moves a subject from one location to another. Currently, biomechanical assessments of human gait has been used for diagnosing neuromuscular disorders, musculoskeletal and as a way of pre and post-surgical treatment, medication and/or physical therapy. This paper presents the development of a low cost academic tool for the study of human gait. This system consists of sensing the motion of a user through inertial sensors and a virtual model of the human body to allow the visualization of the generated movement. In this way, the user can have its actions corrected by his visual perception and also corrected by therapist or physiotherapist who will visualize the virtual model as the detailed movements of patient. The system will also record the kinematic gait variables (as acceleration, angular velocity, angles of the sensed members) for studies and more detailed monitoring of their recovery and/or treatment. As result, the developed system obtained average errors of X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º and errors in RMS X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º compared to a commercial system, and these results close to the ones seen in literature and applicable in biomechanical tests of gait.

Made available in DSpace on 2016-04-28T20:19:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2004 - Wanderleia das Gracas Silva.pdf: 1067964 bytes, checksum: 151c14c40e5cb592c313c25fd79a526b (MD5) Previous issue date: 2004-08-31 / This work was developed with the objective to analyze, ahead of the implantation of plus a plan of economic stability, the possibilities of the control of the Brazilian inflationary process. To understand these possibilities, one searched to after make a historical trajectory of the process the second half of the decade of 1980, emphasizing, superficially, the considered plans of stabilization before the implantation of the Real Plan, with objective to badly demonstrate to which the procedure of the economic plans in relation to one that it devastates the country. Working in this recital, it had an aiming of the present work in the errors and rightnesss of these plans, attempting against itself only to the inertial component, diagnosised as cause of the inflation in the period in analysis. Working in this recital, the three phases that had been primordial for the implantation of the Real Plan, had contributed for the aiming of the present work. The analysis of these two periods, of the 80 phase and second half decade of the Real Plan, had detached the importance of if getting the objective initially considered by this last one. In chapter III, it is demonstrated, superficially, some of the impacts in the Brazilian economy. / Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de analisar, diante da implanta??o de mais um plano de estabilidade econ?mica, as possibilidades do controle do processo inflacion?rio brasileiro. Para entender essas possibilidades, buscou-se fazer uma trajet?ria hist?rica do processo ap?s a segunda metade da d?cada de 1980, enfatizando, superficialmente, os planos de estabiliza??o propostos antes da implanta??o do Plano Real, com objetivo de demonstrar qual o procedimento dos planos econ?micos em rela??o a um mal que assola o pa?s. Trabalhando nesta fundamenta??o, houve um direcionamento do presente trabalho nos erros e acertos destes planos, atentando-se apenas ao componente inercial, diagnosticado como causa da infla??o no per?odo em an?lise. Trabalhando nesta fundamenta??o, as tr?s fases que foram primordiais para a implanta??o do Plano Real, contribu?ram para o direcionamento do presente trabalho. A an?lise destes dois per?odos, segunda metade da d?cada de 80 e fases do Plano Real, destacaram a import?ncia de se obter o objetivo inicialmente proposto por este ?ltimo. No cap?tulo III, s?o demonstrados, superficialmente, alguns dos impactos na economia brasileira.

O presente trabalho trata do desenvolvimento de um sistema de sensoriamento de orientação utilizando sensores inerciais de baixo custo, de tecnologia MicroElectroMechanical Systems, MEMS, que apresentam altas taxas de ruído. Assim, é realizada a filtragem e fusão dos dados dos sensores para obtenção de uma estimativa confiável, com a aplicação do filtro de Kalman estendido. O sistema é utilizado para a navegação e controle em um veículo aquático de superfície autônomo. No desenvolvimento do trabalho são investigados os princípios da navegação inercial, da representação da orientação e os sistemas de coordenadas envolvidos, apresentando o método por ângulos de Euler, quatérnios e DCM e o procedimento de atualização conforme a variação da orientação. O sistema desenvolvido foi testado em bancada e em um barco com formato de trimarã construído no Laboratório de Controle e Eletrônica de Potência, na Escola de Engenharia de São Carlos, mostrando os resultados dos testes realizados navegando em uma represa, obtendo resultados satisfatórios para essa aplicação. É mostrado também o comportamento dinâmico dos veículos aquáticos de superfície através do estudo da dinâmica de corpos rígidos. / This work describes the development of an orientation sensing system composed of low cost inertial sensors with MicroElectroMechanical Systems (MEMS) technology, which presents high noise levels. Thus, filtering and sensor\'s measurements fusion is done in order to achieve a reliable estimation, trough an extended Kalman filter. The system is used for navigation and control of an autonomous aquatic surface vehicle. In this work, the principles of inertial navigation, orientation representation as well as the coordinate frames involved are investigated, presenting the methods trough Euler angles, quaternions and DCM, and the update proceeding according to the orientation changes. The developed system was tested in the lab and on a trimaran shaped vessel navigating on a dam, wich was developed in the Control and Power Electronics Laboratory at the São Carlos School of Engineering, achieving satisfactory results for this application. It is also shown the dynamic behavior of the surface aquatic vehicles, using rigid-body dynamics.

Submitted by Marcio Filho (marcio.kleber@ufba.br) on 2017-06-09T12:54:47Z No. of bitstreams: 1 mestrado_vitor.pdf: 2209704 bytes, checksum: d39df531f410d6533d4c54bd9255e48c (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Reis (vanessa.jamile@ufba.br) on 2017-06-13T15:15:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 mestrado_vitor.pdf: 2209704 bytes, checksum: d39df531f410d6533d4c54bd9255e48c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-13T15:15:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 mestrado_vitor.pdf: 2209704 bytes, checksum: d39df531f410d6533d4c54bd9255e48c (MD5) / A pesquisa para o desenvolvimento do conjunto de circuitos eletrônicos (hardware) para aquisição de dados e sistemas de controle de vôo para aeronaves n˜ao-tripuladas(UAV -Unmanned Aerial Vehicle) tem gerado novos conhecimentos aeronauticas, com aplicações em monitoramento ambiental e controle de areas agrícolas e de pragas. Neste trabalho, foi concebido o desenvolvimento de todo o aparato eletrônico necessário para um UAV, sendo este desenvolvimento parte integrante do projeto UAV-UFBA. Apresenta-se aqui um detalhamento do funcionamento dos sensores utilizados para o sistema de navegação inercial, bem como todas as equações necessárias para a conversão dos valores de tens˜ao adquiridos pelos sensores em suas respectivas unidades de medida: aceleração, press˜ao, velocidade do angular e outros. S˜ao também apresentados os filtros analógicos e digitais desenvolvidos e os circuitos de condicionamento de sinal de cada sensor. O sistema de processamento ´e composto por dois microcontroladores da família MCS-51, como módulo de interface entre o sistema de navegação e a aeronave. A arquitetura desenvolvida ´e flexível, podendo ser utilizada de várias formas e expandida de acordo com a necessidade. Para validar o equipamento foram feitos diferentes tipos de ensaio. As respostas obtidas tiveram erros inferiores a 4%, levando em considera¸c˜ao que se esperava erros maiores, próximos a 20%, visto que a equipe n˜ao tinha experiência nesta área, nem outros trabalhos como referência. Desta maneira mostra que com a continuidade e o aprofundamento da pesquisa, pode-se obter resultados ainda melhores.

A marcha humana, ou caminhada, é um padrão cíclico de movimentos corporais que se repetem a cada passo que desloca um indivíduo de um local a outro. Atualmente, avaliações biomecânicas da marcha humana tem sido utilizado no diagnóstico de alterações neuromusculares, músculo-esqueléticas e como forma de avaliação pré e pós-tratamento cirúrgico, medicamentoso e/ou fisioterapêutico. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta acadêmica de baixo custo para o estudo da marcha humana. Esse sistema consiste no sensoriamento da marcha de um usuário através de sensores inerciais e de um modelo virtual do corpo humano para permitir a visualização do movimento gerado. Dessa maneira o usuário poderá ter suas ações corrigidas por sua percepção visual e também corrigida pelas orientações de um fisiatra ou fisioterapeuta que terá a reprodução do modelo virtual conforme a movimentação detalhada do paciente para análise. O sistema ainda efetuará os registros das variáveis cinemáticas da marcha (tais como aceleração, velocidade angular, angulações dos membros sensoriados) para estudos e acompanhamento mais detalhado da sua recuperação e/ou tratamento. Como resultado, o sistema desenvolvido obteve erros médios de X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º e erros em RMS de X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º quando comparados com um sistema comercial, sendo esse resultado próximo à literatura e aplicável em exames biomecânicos de marcha. / The human gait is a cyclical pattern of body movements that are repeated every step that moves a subject from one location to another. Currently, biomechanical assessments of human gait has been used for diagnosing neuromuscular disorders, musculoskeletal and as a way of pre and post-surgical treatment, medication and/or physical therapy. This paper presents the development of a low cost academic tool for the study of human gait. This system consists of sensing the motion of a user through inertial sensors and a virtual model of the human body to allow the visualization of the generated movement. In this way, the user can have its actions corrected by his visual perception and also corrected by therapist or physiotherapist who will visualize the virtual model as the detailed movements of patient. The system will also record the kinematic gait variables (as acceleration, angular velocity, angles of the sensed members) for studies and more detailed monitoring of their recovery and/or treatment. As result, the developed system obtained average errors of X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º and errors in RMS X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º compared to a commercial system, and these results close to the ones seen in literature and applicable in biomechanical tests of gait.