Este trabalho apresenta e discute uma estratégia e discute uma estratégia inédita para o problema de exploração e mapeamento de ambientes desconhecidos usandoo robô NOMAD 200. Esta estratégia tem como base a solução numéricqa de problemas de valores de contorno (PVC) e corresponde ao núcleo da arquitetura de controle do robô. Esta arquitetura é similar à arquitetura blackboard, comumente conhecida no campo da Inteligência Artificial, e é responsável pelo controle e gerenciamento das tarefas realizadas pelo robô através de um programa cleinte. Estas tarefas podem ser a exploração e o mapeamento de um ambiente desconhecido, o planejamento de caminhos baseado em um mapa previamente conhecido ou localização de um objeto no ambiente. Uma características marcante e importante é que embora estas tarefas pareçam diferentes, elas têm em comum o mesmo princípio: solução de problemas de valores de contorno. Para dar sustentabilidade a nossa proposta, a validamos através de inúmeros experimentos, realizados e simulação e diretamente no robô NOMAD 200, em diversos tipos de ambientes internos. Os ambientes testados variam desde labirintos formados por paredes ortogonais entre si até ambientes esparsos. Juntamente com isso, introduzimos ao longo do desenvolvimento desta tese uma série de melhorias que lidam com aspectos relacionados ao tempo de processamento do campo potencial oriundo do PVC e os ruídos inseridos na leitura dos sensores. Além disso, apresentamos um conjunto de idéias para trabalhos futuros.

Neste trabalho, apresenta-se um modelo de controle de trajetória para um manipulador constituído de um braço rígido e um braco flexível com atuadores e sensores piezelétricos. O modelo dinamico do manipuladoré obtido de forma fechada através da formulacao de Lagrange. O controle utiliza o torque dos motores como atuadores para controle da trajetoria do angulo das juntas e tambem para atenuar as vibracoes de baixa frequencia induzidas nos bracos do manipulador. A estabilidade deste controlador e garantida pela teoria de estabilidade de Lyapunov. Atuadores e sensores piezeletricos sao adicionados para controlar as vibracoes de alta freqüência nâo alcançadas pelo controle de torque dos motores. Além disso,é proposta uma otimização simultânea do controle e dos atuadores e sensores através da maximização da energia dissipada no sistema, devido µa ação do controle, com otimização do posicionamento e tamanho dos atuadores e sensores piezelétricos na estrutura. Simulações são obtidas através do Matlab/Simulink paraverificar a eficiência do modelo de controle.

O controle de robôs móveis não holonômicos apresenta como principal desafio o fato de estes sistemas não serem estabilizáveis em um ponto através de uma realimentação de estados suave e invariante no tempo, conforme o Teorema de Brockett. Para contornar este resultado, técnicas clássicas utilizam leis de controle variante no tempo ou não suaves (descontínuas). Entretanto, estas técnicas não prevêem durante o cálculo da lei de controle restrições nas variáveis do sistema e assim, muitas vezes, geram entradas de controle que são incompatíveis com uma implementação real. Neste trabalho são desenvolvidos algoritmos de controle preditivo baseado em modelo (MPC) para o controle de robôs móveis não holonômicos dotados de rodas. No MPC, restrições nas variáveis de estado e de controle podem ser consideradas durante o cálculo da lei de controle de uma forma bastante direta. Além disso, o MPC gera implicitamente uma lei de controle que respeita as condições de Brockett. Como o modelo do robô é não linear, é necessário um algoritmo de MPC não linear (NMPC). Dois objetivos são estudados: (1) estabilização em um ponto e (2) rastreamento de trajetória. Através de extensivos resultados de simulação, é mostrada a eficácia da técnica. Referente ao primeiro problema, é feita uma análise comparativa com algumas leis clássicas de controle de robôs móveis, mostrando que o MPC aplicado aqui apresenta uma melhor performance com relação às trajetórias de estado e de controle. No problema de rastreamento de trajetória, é desenvolvida uma técnica linear, alternativa ao NMPC, utilizando linearizações sucessivas ao longo da trajetória de referência, a fim de diminuir o esforço computacional necessário para o problema de otimização. Para os dois problemas, análises referentes ao esforço computacional são desenvolvidas com o intuito de mostrar a viabilidade das técnicas de MCP apresentadas aqui em uma implementação real.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2015. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2016-06-10T13:32:58Z No. of bitstreams: 1 2015_ThiagoSilvaRocha.pdf: 20554940 bytes, checksum: 2701d95c9ddf48364064f9c84f3ffbc3 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2017-01-18T20:15:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_ThiagoSilvaRocha.pdf: 20554940 bytes, checksum: 2701d95c9ddf48364064f9c84f3ffbc3 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-18T20:15:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_ThiagoSilvaRocha.pdf: 20554940 bytes, checksum: 2701d95c9ddf48364064f9c84f3ffbc3 (MD5) / A presente dissertação de mestrado descreve o projeto e o desenvolvimento de uma prótese transfemural robótica, em especial o design mecânico e o sistema de atuação. O mecanismo do joelho, construído para apresentar uma movimentação policêntrica, foi baseado em um arranjo de quatro barras, pemitindo um posicionamento conveniente do centro instantâneo de rotação durante a as diversas fases marcha. Essa configuração confere maior estabilidade e controlabilidade ao usuário e maior conforto em movimento. O sistema de atuação consiste de um pistão magnetoreológico que funciona como amortecedor de amortecimento variável controlável por corrente elétrica. São apresentados também a eletrônica embarcada no dispositivo e os sensores instalados para a medição de diversas variáveis da marcha. Os experimentos realizados com um voluntário amputado, também aqui apresentados, permitem concluir que o dispositivo confeccionado é funcional como prótese e capaz de possibilitar ao usuário marcha confortável ao usuário, com maior dinamismo e segurança para o usuário. Os experimentos também apontam diversas possibilidades de aprimoramento do dispositivo. / This master thesis describes the design and development of a transfemoral robotic prosthesis, especially the mechanical design and the actuation system. The knee mechanism, built to present a polycentric movement, was based in a four bar linkage, enabling a convenient positioning of the instantaneous center of rotation during the different phases of gait. This configuration provides greater stability and controllability to the user and greater comfort in motion. The actuation system consists of a magnetorheological piston which acts as damper with variable damping controllable by electrical current. The paper also presents the embedded electronics and the sensor system for measuring different gait variables. The experiments carried out with an amputated volunteer, also presented here, demonstrates that the built device is functional as a prosthesis and grants to the user comfortable gait with greater dynamism and safety. The experiments also point to several device enhancement possibilities.

Made available in DSpace on 2015-12-09T01:03:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000476572-Texto+Completo-0.pdf: 1895232 bytes, checksum: d360d64653c8369496f6a15db1b7c15f (MD5) Previous issue date: 2015 / As robotics becomes more common and people start to use it in routine tasks, dependability becomes more and more relevant to create trustworthy solutions. A commonly used approach to provide reliability and availability is the use of multi robots instead of a single robot. However, in case of a large teams of robots (tens or more), determining the system status can be a challenge. This work presents a runtime monitoring solution for Multi Robotic Systems. It integrates Nagios IT Monitoring tool and ROS robotic middleware. One of the potential advantages of this approach is that the use of a consolidated IT infrastructure tool enables the reuse of several relevant features developed to monitor large datacenters. Another important advantage of that this solution does not require additional software at the robot side. The experimental results demonstrate that the proposed monitoring system has a small performance impact on the robot and the monitoring server can easily support hundreds or even thousands of monitored robots. / À medida que a robótica se torna mais comum e as pessoas começam a utilizá-la em suas tarefas de rotina, dependabilidade torna-se cada vez mais importante para a construção de uma solução digna de confiança. Uma abordagem comum de prover confiabilidade e disponibilidade é o uso de multi robôs ao invés de um único robô devido a sua redundância intrísica. Entretanto, no caso de um grande time de robôs (dezenas ou mais), uma tarefa aparentemente simples como a determinação do status do sistema pode se tornar um desafio. Este trabalho apresenta uma ferramenta de monitoramento de sistemas multi robôs em tempo de execução. Esta solução integra a ferramenta de monitoramento de TI Nagios com o middleware robótico ROS sem a necessidade de instalação de software adicional no robô. O uso de uma ferramenta de TI consolidada permite o reuso de diversas funcionalidades relevantes já empregadas amplamente no monitoramento de datacenters. Os resultados experimentais demonstram que a solução proposta tem um baixo impacto no desempenho do robô e o servidor de monitoramento pode facilmente monitorar centenas ou até milhares de robôs ao mesmo tempo.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2012. / Submitted by Laura Conceição (laurinha.to@gmail.com) on 2014-11-21T16:02:58Z No. of bitstreams: 1 2012_EduardoDaSilvaAlves.pdf: 1163674 bytes, checksum: b0af202148e9c923db7b4988004cd154 (MD5) / Approved for entry into archive by Patrícia Nunes da Silva(patricia@bce.unb.br) on 2014-11-26T13:01:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_EduardoDaSilvaAlves.pdf: 1163674 bytes, checksum: b0af202148e9c923db7b4988004cd154 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-11-26T13:01:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_EduardoDaSilvaAlves.pdf: 1163674 bytes, checksum: b0af202148e9c923db7b4988004cd154 (MD5) / Mapeamento e localização simultâneos (SLAM, da sigla em inglês) é um dos assuntos mais pesquisados no campo da robótica. Este trabalho propõe uma abordagem de sistemas dinâmicos híbridos para tratar do problema de SLAM. Dentro desta perspectiva, desenvolve-se um modelomatemático para o problema de localização e mapeamento em grandes ambientes e propõe-se uma modificação no algoritmo do filtro híbrido IMM de forma a se alcançar um melhor desempenho durante o processo de estimação estocástica do vetor de estados do sistema. Este novo algoritmo, juntamente com a formulação mais tradicional FKE-SLAM e do filtro de partículas (FastSLAM), tem seu desempenho comparado por meio de dados de simulação. Sugere-se que a formulação apresentada neste trabalho pode superar os resultados disponíveis na literatura em termos de complexidade computacional. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT / Simultaneous localization and mapping (the acronym, SLAM) is one of the most interesting topics in the field of robotics. This paper proposes a hybrid dynamic systems approach to address the problem of SLAM. Within this perspective, it develops a mathematical model to the problem of localization and mapping and propose a modification in the hybrid filter IMM algorithm in order to achieve better performance during the estimation process. This new algorithm, together with the formulation EKF-SLAM and FastSLAM, is compared by means of simulation data. It is suggested that the formulation presented in this paper can overcome the results available in the literature in terms of computational complexity.

Dissertação (mestrado)-Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, 2011. / Submitted by Marília Freitas (marilia@bce.unb.br) on 2011-06-29T16:14:41Z No. of bitstreams: 1 2011_PedroHenriqueRQASantana.pdf: 7578133 bytes, checksum: 23402964dc49f1ef09c26f5b40cae9e6 (MD5) / Approved for entry into archive by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br) on 2011-06-29T16:14:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2011_PedroHenriqueRQASantana.pdf: 7578133 bytes, checksum: 23402964dc49f1ef09c26f5b40cae9e6 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-06-29T16:14:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2011_PedroHenriqueRQASantana.pdf: 7578133 bytes, checksum: 23402964dc49f1ef09c26f5b40cae9e6 (MD5) / Estimação de estados a partir de informações sensoriais de sistemas operando em ambientes reais, não-controlados e possivelmente hostis é um assunto de grande interesse científico e aplicabilidade prática, ainda que seja uma tarefa difícil de ser efetuada com sucesso. Em razão das diversas, e geralmente desconhecidas, fontes de interferência atuando sobre o sistema, a hipótese de correta operação dos sensores assumida pelas técnicas de filtragem tradicionais pode se tornar inválida. Tendo em vista que falhas muitas vezes são inevitáveis e que suas conseqüências podem ser trágicas dependendo da situação, este trabalho propõe uma abordagem de sistemas híbridos para tratar de sistemas com falhas e operando sob perturbações, propondo três novos filtros híbridos (HDFF, MHMF e MHMF-2) para estimação estocástica de estados. Todos esses algoritmos, juntamente com os filtros FKE, IMMe M3H, têm seus desempenhos comparados por meio de dados reais e de simulação provenientes do sistema de localização de um veículo aéreo não-tripulado equipado com GPS, IMU e magnetômetro. Desenvolve-se o modelo matemático do sistema de localização e dá-se ênfase às questões relativas à representação de atitude e sua extração a partir de leituras dos sensores embarcados. Mostra-se que todos os filtros propostos neste trabalho superam os resultados disponíveis na literatura e conclui-se da análise dos dados que o MHMF-2 é o melhor algoritmo em termos de menores erros de estimação e complexidade computacional. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT / State estimation for sensory systems operating in real, uncontrolled, and possibly hostil environments is a matter of great scientific interest and practical applicability, though often difficult to accomplish. Because of the many different, and usually unknown, sources of interference acting over the system, the theoretical assumptions of correct sensor operation considered by traditional filtering techniques may not be valid. Since occasional faults are often inevitable and may have tragic outcomes depending on the situation, this work uses a stochastic hybrid systems approach to tackle the problem of faulty and heavily disturbed systems and proposes three new hybrid stochastic state estimators (HDFF, MHMF and MHMF-2). All these algorithms, along with the EKF, the IMM and the M3H filters, have their performances compared using simulated and real experimental data from an unmanned aerial vehicle’s localization system equipped with GPS, IMU, and magnetometer. The localization system’s mathematical model is developed and special attention is paid to the matters of attitude representation and extraction from onboard sensor data. All filters proposed in this work are shown to outperform the available results in the litterature and one concludes from the analysis that the MHMF-2 is the best algorithm in terms of smaller estimation error and computational complexity.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2013. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2013-09-13T13:33:56Z No. of bitstreams: 1 2013_DiegoAntonioLegardaCordoba.pdf: 39409706 bytes, checksum: 72b54c49ae43f3b93d39b94a83bce0bb (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2013-09-13T15:09:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2013_DiegoAntonioLegardaCordoba.pdf: 39409706 bytes, checksum: 72b54c49ae43f3b93d39b94a83bce0bb (MD5) / Made available in DSpace on 2013-09-13T15:09:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2013_DiegoAntonioLegardaCordoba.pdf: 39409706 bytes, checksum: 72b54c49ae43f3b93d39b94a83bce0bb (MD5) / O rastreamento mediante visão computacional constitui um campo de amplo pesquisa tendo em conta todas as aplicações possíveis. Para conseguir um bom desempenho do sistemas de rastreamento, propõem-se algoritmos estocásticos que lidam com problemas do ruido no sistema e na adquisição das observações do entorno. Dentre os métodos estocásticos encontrase o filtro de partículas. Este filtro tem bom desempenho lidando com não-gaussianos, nãolineares, e multi-módulo problemas; quando os objetos rastreados não apresentam oclusões. Neste trabalho propõe-se um filtro de partículas com comportamento inercial que permita obter um comportamento robusto do rastreamento nos casos quando uma oclusão ocorrer mantendo o comportamento dinâmico do objeto, ação alcançada com a estimação da variação da posição ao longo dos frames anteriores à oclusão. Além de tratar as oclusões, o método exibe um ótimo desempenho em sequências com mudanças de iluminação, modificações bruscas de trajetória, com fundo variável e aqueles na qual existem mais de um alvo a rastrear. Os resultados obtidos demostram que o método de rastreamento consegue um melhor desenvolvimento que o filtro padrão nas situações que precisam de um modelo do movimento do objeto a ser rastreado como são as sequências descritas.

O controle de robôs móveis não holonômicos apresenta como principal desafio o fato de estes sistemas não serem estabilizáveis em um ponto através de uma realimentação de estados suave e invariante no tempo, conforme o Teorema de Brockett. Para contornar este resultado, técnicas clássicas utilizam leis de controle variante no tempo ou não suaves (descontínuas). Entretanto, estas técnicas não prevêem durante o cálculo da lei de controle restrições nas variáveis do sistema e assim, muitas vezes, geram entradas de controle que são incompatíveis com uma implementação real. Neste trabalho são desenvolvidos algoritmos de controle preditivo baseado em modelo (MPC) para o controle de robôs móveis não holonômicos dotados de rodas. No MPC, restrições nas variáveis de estado e de controle podem ser consideradas durante o cálculo da lei de controle de uma forma bastante direta. Além disso, o MPC gera implicitamente uma lei de controle que respeita as condições de Brockett. Como o modelo do robô é não linear, é necessário um algoritmo de MPC não linear (NMPC). Dois objetivos são estudados: (1) estabilização em um ponto e (2) rastreamento de trajetória. Através de extensivos resultados de simulação, é mostrada a eficácia da técnica. Referente ao primeiro problema, é feita uma análise comparativa com algumas leis clássicas de controle de robôs móveis, mostrando que o MPC aplicado aqui apresenta uma melhor performance com relação às trajetórias de estado e de controle. No problema de rastreamento de trajetória, é desenvolvida uma técnica linear, alternativa ao NMPC, utilizando linearizações sucessivas ao longo da trajetória de referência, a fim de diminuir o esforço computacional necessário para o problema de otimização. Para os dois problemas, análises referentes ao esforço computacional são desenvolvidas com o intuito de mostrar a viabilidade das técnicas de MCP apresentadas aqui em uma implementação real.

Neste trabalho, apresenta-se um modelo de controle de trajetória para um manipulador constituído de um segmento rígido e um flexível com atuadores e sensores piezelétricos. o modelo dinâmico do manipulador é obtido de forma fechada através da formulação de Lagrange, considerando os segmentos como vigas de Euler-Bernoulli não-prismáticas. O controle utiliza o torque dos motores como atuadores para controle da trajetória do ângulo das juntas e também para atenuar as vibrações de baixa freqüência induzidas nos segmentos do manipulador. A estabilidade deste controlador é garantida pela teoria de estabilidade de Lyapunov. Atuadores e sensores piezelétricos são adicionados para contribuir no controle de vibrações de baixas freqüências e de altas freqüências não alcançadas pelo controle de torque dos motores. São propostos dois modelos de controle, um com realimentação do erro da trajetória e outro através do método de Equações de Riccati Dependentes de Estado. Além disso, é proposta uma otimização simultânea do controle e dos atuadores e sensores através da maximização da energia dissipada no sistema, devido à ação do controle, com otimização do posicionamento e tamanho dos atuadores e sensores piezelétricos na estrutura. Simulações são obtidas através do Maple e do MatlabjSimulink para verificar a eficiência do modelo de controle. / In this work, a tracking contraI model for a flexible arm robotic manipulator using piezoeletric actuators and sensors is praposed. The manipulator dynamic model is obtained in closed form by the Lagrange equations where non-prismatic Euler-Bernoulli beams are considered. The control uses the motor torques for the tracking control of the joints and aIso to reduce the induced low frequency vibration emthe manipulator arms . The stability of this control is guaranteed by the Lyapunov stability theory. Actuators and sensors are added for controlling high frequency vibrations beyond the motor torque contraI range. Two control methods are proposed: one with feedback tracking error and other with State-Dependent Riccati Equations. Additionally, a simultaneous contraI, sizing, and location optimization for actuators and sensors is proposed, maximizing the dissipated system energy damped by contraI action. Simulations on Maple and MatlabjSimulink are used to verify the efficiency of the control model.