[pt] Apesar da pesquisa contínua para facilitar a programação de redes de sensores sem fio, a análise de perigos de concorrência ainda é de responsabilidade do programador, que deve tratar manualmente de questões como sincronização e memória compartilhada. Nós apresentamos uma linguagem de sistema que garante concorrência segura tratando ameaças em tempo de compilação. A fundamentação estática e síncrona da nossa abordagem permite um raciocínio mais simples sobre questões de concorrência, permitindo uma análise em tempo de compilação que garante programas determinísticos. Como contra-partida, nosso modelo impõe em termos da expressividade da linguagem, tais como para efetuar cálculos demorados, ou atender prazos estritos em tempo real. Nós implementamos diversos protocolos de rede conhecidos e o driver para rádio CC2420 para mostrar que a expressividade e responsividade obtida com a linguagem é suficiente para uma gama considerável de aplicações para redes de sensores. As implementações mostram uma redução de tamanho de código, com um aumento de memória abaixo de 10 porcento em comparação com nesC. O uso da linguagem proposta implica em diversas propriedades de segurança que se baseiam em abstrações de controle de alto nível, também resultando em código mais conciso e legível. / [en] Despite the continous research to facilitate Wireless Sensor Networks development, most safety analysis and mitigation efforts in concurrency are still left to developers, who must manage synchronization and shared memory explicitly. We propose a system language that ensures safe concurrency by handling threats at compile time, rather than at runtime. The synchronous and static foundation of our design allows for a simple reasoning about concurrency that enables compile-time analysis resulting in deterministic and memory-safe programs. As a trade-off, our design imposes limitations on the language expressiveness, such as doing computationally-intensive operations and meeting hard real-time responsiveness. To show that the achieved expressiveness and responsiveness is sufficient for a wide rage of WSN applications, we implement widespread network protocols and the CC2420 radio driver. The implemetations show a reduction in source code size, with a penalty of memory increase below 10 percent in comparison to nesC. Overall, we ensure safety properties for programs relying on high-level control abstractions that also lead to concise and readable code.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3106797 bytes, checksum: 5882905bec7a2111fa1be0a9ec00e437 (MD5) Previous issue date: 2012-01-11 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The presented work aims at monitoring in real time the important parameters in induction motors in a non-invasive manner. A method for estimation of torque, shaft speed and energy efficiency has been developed. An embedded system is employed for acquiring electrical signals from the motor and local processing. The calculated values are transmitted to a monitoring unit through an IEEE 802.15.4-based wireless sensor network. At the base unit, various motors can be monitored in real time. To choose the method to be used, a survey on the main methods was made. The method by air-gap torque was considered the most appropriate to the requirements for being accurate and non-invasive. An experimental study was conducted to observe the accuracy of the estimated methods used, and the relationship between the wireless sensor network performance and the spectral occupancy at the operating environment. Therefore, the embedded system was deployed on a workbench of dynamic sinusoidal torque in an industrial environment. The performance of the embedded system and the estimation results were extremely positive. The results show that even with the difficulties of wireless transmission in some scenarios, the system was fully capable of providing processed information for the monitoring. / O trabalho proposto visa monitorar em tempo real grandezas importantes em motores de indução trifásicos de forma pouco invasiva. Foi desenvolvido um método de estimação de torque, velocidade no eixo e eficiência energética. Um sistema embarcado foi construído para a aquisição de sinais elétricos do motor e processamento local. Os valores calculados são transmitidos para estação base através de uma rede de sensores sem fio baseada no padrão IEEE 802.15.4. Na estação base, vários motores podem ser monitorados em tempo real. A fim de desenvolver o método a ser utilizado para estimação das grandezas, foram pesquisados os principais métodos existentes. O método a partir do torque no entreferro foi considerado o mais adequado às necessidades devido à sua exatidão e baixa invasividade. Um estudo experimental foi realizado para observar a exatidão dos métodos de estimação utilizados, assim como a relação entre o desempenho da rede sem fio e a ocupação espectral no ambiente operacional. Para isso, o sistema embarcado foi instalado em uma bancada de torque dinâmico senoidal em ambiente industrial. O desempenho do sistema embarcado e os resultados das estimações foram extremamente positivos. Os resultados mostram que, mesmo com as dificuldades na transmissão sem fio em alguns cenários, o sistema foi totalmente capaz de fornecer informações processadas para o monitoramento.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JailtonCP_DISSERT.pdf: 2190503 bytes, checksum: ee26df46d54432b596d1d87d4b66b75c (MD5) Previous issue date: 2012-07-27 / In practically all vertical markets and in every region of the planet, loyalty marketers have adopted the tactic of recognition and reward to identify, maintain and increase the yield of their customers. Several strategies have been adopted by companies, and the most popular among them is the loyalty program, which displays a loyalty club to manage these rewards. But the problem with loyalty programs is that customer identification and transfer of loyalty points are made in a semiautomatic. Aiming at this, this paper presents a master's embedded business automation solution called e-Points. The goal of e-Points is munir clubs allegiances with fully automated tooling technology to identify customers directly at the point of sales, ensuring greater control over the loyalty of associate members. For this, we developed a hardware platform with embedded system and RFID technology to be used in PCs tenant, a smart card to accumulate points with every purchase and a web server, which will provide services of interest to retailers and customers membership to the club / Em praticamente todos os mercados verticais e em cada regi?o do planeta, os comerciantes de fidelidade adotaram a t?tica de reconhecimento e recompensa para identificar, manter e aumentar o rendimento de seus clientes. V?rias estrat?gias t?m sido adotadas pelas empresas, e a mais popular entre elas ? o programa de fidelidade, que exibe um clube de fidelidade para gerenciar essas recompensas. Mas o problema com os programas de fidelidade ? que a identifica??o dos clientes e a transmiss?o dos pontos de fidelidade s?o feitas de forma semiautom?tica. Visando isto, o presente trabalho de mestrado apresenta uma solu??o embarcada de automa??o comercial intitulada e-Pontos. O objetivo do e-Pontos ? munir os clubes de fidelidades com ferramental tecnol?gico totalmente automatizado para identificar os clientes diretamente nos pontos de vendas, garantindo um maior controle dos pontos de fidelidade dos membros associados. Para isso, foi desenvolvida uma plataforma de hardware com sistema embarcado e tecnologia RFID que ser? utilizada nos PCs dos lojistas, um smart card para acumular os pontos a cada compra e um servidor web, o qual disponibilizar? servi?os de interesse para os lojistas e os clientes conveniado ao clube

The need to have mechanisms and Technologies for the control of blood glucose levels is essential for people who have diabetes of any type. This disease still has no cure and is one of the main risk factors for cardiovascular diseases, such as heart attack, stroke, renal complications etc. The number of diabetic people in the world and in Brazil is alarming, in addition, Brazilians occupy the fourth place in the world ranking according to the last survey of the year, 2015, made by the International Diabetes Federation (IDF). Several studies has been conducted in order to obtain the best glycemic control of people with diabetes, one of the current forms of control under investigation is the development of an artificial pancreas. Through the union of three systems: glucose monitoring system, control algorithm and actuator system through an insulin infusion pump, it is possible to obtain efficient results in glycemic control as they already have studies. This work consists of developing a prototype of a low-cost and low-power embedded control system, Hardware in Loop (HIL), based on Arduino nano microcontroller, which can control the blood glucose level of a model of a type 1 diabetes patient, considering some perturbations and noises, using the Kalman filter as estimator. The results obtained with the implementation of the controller are analyzed in order to obtain a better performance. / A necessidade de ter mecanismos e tecnologias para o controle dos níveis de glicose no sangue é essencial para pessoas que possuem diabetes de qualquer tipo, visto que esta é uma doença que ainda não possui cura e é um dos principais fatores de riscos para doenças cardiovasculares, como infarto, AVC, complicações renais e etc. O número de pessoas diabéticas no mundo e no Brasil é alarmante, além disso, tem-se que os brasileiros ocupam o quarto lugar no ranking mundial de acordo com o último levantamento no ano de 2015 feito pela International Diabetes Federation (IDF). Vários estudos têm sido realizados no intuito de obter o melhor controle da glicemia de pessoas com diabetes, uma das formas de controle que está sendo pesquisada atualmente é o desenvolvimento de um pâncreas artificial. Através da união de três sistemas, sendo estes: o de monitoramento da glicemia, o de algoritmo de controle e o de atuador através de bomba de infusão de insulina, é possível que sejam obtidos resultados eficientes no controle da glicemia como já têm mostrado alguns estudos. Este trabalho consiste em desenvolver um protótipo de um sistema de controle embarcado, Hardware in Loop (HIL), baseado no microcontrolador nano Arduino, de baixo custo e de baixo consumo de energia que possa controlar o nível de glicose no sangue de um modelo de um paciente com diabetes tipo 1, considerando algumas perturbações e ruídos, utilizando o filtro de Kalman como estimador. Os resultados obtidos com a implementação do controlador são analisados buscando a obtenção de um melhor desempenho. / São Cristóvão, SE

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-03-27T14:38:40Z No. of bitstreams: 1 joaopedrocarvalhodesouza.pdf: 18276186 bytes, checksum: 402b9ec7121d8ad1bc3f51202005d04e (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-03-27T18:00:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 joaopedrocarvalhodesouza.pdf: 18276186 bytes, checksum: 402b9ec7121d8ad1bc3f51202005d04e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-27T18:00:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 joaopedrocarvalhodesouza.pdf: 18276186 bytes, checksum: 402b9ec7121d8ad1bc3f51202005d04e (MD5) Previous issue date: 2018-02-08 / Os Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) demonstram-se como tecnologia promissora visto sua alta aplicabilidade e custos reduzidos. Assim, esses veículos são estudados por engenheiros e pesquisadores que visam, além de aplicá-los, melhorar seu desempenho, segurança e torná-los autônomos e de fácil interação. Etapas de voos como decolagem, subida, cruzeiro, descida e aterrissagem são objetos de estudos para melhoria de perfomance dessas aeronaves. A aterrissagem é uma etapa delicada para o veículo, cuja operação inadequada pode resultar em acidentes e perdas. Com esse intuito, a presente dissertação propõe uma técnica para o pouso autônomo/assistido de VANTs embarcado ao veículo, sem a necessidade de estações base de processamento. Para o sensoriamento, é utilizado o algoritmo de visão computacional denominado Ar Track Alvar para identificação de marcadores artificiais, utilizados como local de pouso. A configuração do local de pouso visa a aplicação da aterrissagem em alturas mais elevadas, pois são utilizados diferentes marcadores artificiais para a sua composição. O algoritmo de pouso também é uma contribuição do presente trabalho, no qual a execução é realizada por uma Rede Neural Artificial (RNA), do tipo Multilayer Perceptron, cujo treinamento é supervisionado por uma lógica fuzzy que utiliza a inferência Mamdani. A utilização do fuzzy torna-se viável devido a sua característica não determinística, sendo menos susceptível a ruídos de sensoriamento. Outro ponto importante é a não necessidade de se ajustar ganhos para o procedimento para cada aeronave usada, tornando-se o processo perigoso e trabalhoso. Esse revés é visto em controladores clássicos como o PID. Apesar das vantagens da lógica fuzzy, essa se mostra computacionalmente custosa devido a seu processo Mamdani. Como uma RNA treinada é um conjunto de operações matriciais, é proposto o treinamento da mesma supervisionada pelo algoritmo fuzzy já funcional. Assim se reduz a complexidade computacional do algoritmo embarcado facilitando o processsamento de imagem. O firmware de aterrissagem proposto é desenvolvido sobre o framework Robot Operation System (ROS) e focado para replicação em dispositivos reais e embarcados. Os resultados são apresentados em Software in the Loop (SITL) e em experimentos reais em ambientes externos para locais de pouso estáticos e dinâmicos. A comparação de desempenhos dos algoritmos é mostrada. O desempenho atingido foi satisfatório e a capacidade da RNA, além da redução da complexidade computacional, foram verificadas. / Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are shown as promising technology because of their high applicability and low costs. Thus, these vehicles are engineers and researchers studies targets that aim, in addition to applying them, to improve their performance, safety and make them autonomous and easily interaction. Flight stages such as takeoff, ascent, cruise, descent and landing are objects of studies to improve these aircrafts performance. Landing is a delicate stage for the vehicle, whose improper operation can result in accidents and losses. With this purpose, the present dissertation proposes a technique for the UAVs autonomous/assisted landing onboard the vehicle, without the use of ground control stations. As a sensing, the Ar Track Alvar computational vision algorithm is used to identify artificial markers used as a landing site. The landing site configuration aims the application of landing at higher altitudes, as different artificial markers are used for its composition. The landing algorithm is also a contribution of the present work, in which the execution is performed by an Multilayer Perceptron Artificial Neural Network (ANN) whose training is supervised by a logic fuzzy that uses the Mamdani inference. The use of fuzzy becomes viable due to non-deterministic characteristic and is less susceptible to sensing noise. Another important point is the no need to adjust gains for the procedure for each aircraft used, making the process dangerous and laborious. This setback is seen in classic controllers like the PID. Despite the advantages of fuzzy logic, this is computationally costly due to its Mamdani process. As a trained RNA is a set of matrix operations, it is proposed to train it supervised by the already functional fuzzy algorithm. This reduces the computational complexity of the embedded algorithm, facilitating image processing. The proposed landing firmware is developed on the Robot Operation System (ROS) and is focused on replication on real and embedded devices. The results are presented in Software in the Loop (SITL) and in real experiments at outdoor environments for static and dynamic landing spots. Comparison of algorithm performances is also shown. The performance was satisfactory and the RNA capacity and computational complexity reduction were verified.

O protocolo International Electrotechnical Commission (IEC)-61850 tornou possível integrar os equipamentos das subestações de energia elétrica, através de uma rede de comunicação de dados Ethernet de alta velocidade. A utilização deste protocolo tem como objetivo principal a interligação dos Intelligent Electronic Devices (IEDs) para a automatização dos processos no sistema elétrico. As contribuições deste protocolo para a integração do controle e supervisão do sistema elétrico são diversas, porém, o fato de utilizar uma rede de comunicação de dados Ethernet integrada expõe o sistema elétrico à ataques cibernéticos. A norma IEC-62351 estabelece uma série de recomendações para prover segurança à rede de comunicação do sistema elétrico, dentre elas, o gerenciamento da rede de comunicação, a análise dos campos da mensagem Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) e a utilização de sistemas de detecção de intrusão. O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um Intrusion Detection System (IDS) que atende os requisitos de segurança propostos pelo protocolo IEC-62351, para a identificação de ataques à comunicação realizada por mensagens GOOSE do protocolo IEC-61850, e entre equipamentos do sistema elétrico. Para o desenvolvimento desta aplicação, foram identificados os campos que compõem as mensagens GOOSE, de forma a reconhecer os valores esperados em diferentes situações de operação do sistema elétrico. Determinaram-se padrões de comportamento a serem utilizados para discernir mensagens falsas na rede de comunicação. Instalou-se e configurou-se um sistema operacional de tempo real embarcado na plataforma de desenvolvimento Zynq Board (ZYBO), juntamente com o controlador Open-Mul, para gerenciar a rede de comunicação da subestação, através do protocolo OpenFlow, realizando otimizações para o tráfego multicast. Foi desenvolvido um sistema de detecção e bloqueio de mensagens GOOSE falsas que utiliza o protocolo OpenFlow para controle da rede de comunicação do Sistema Elétrico. Desenvolveu-se ainda um sistema inteligente, utilizando-se uma Rede Neural Artificial (RNA) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX), para predição do tráfego realizado por mensagens GOOSE e detecção de ataques Distributed Deny of Service (DDOS). Os resultados obtidos demonstraram que o protocolo OpenFlow pode ser uma ferramenta interessante para controle da rede, porém, os fabricantes necessitam amadurecer sua implementação nos switches, para que sejam utilizados em produção nas redes de comunicação das subestações. O sistema de predição do tráfego gerado por mensagens GOOSE apresentou benefícios interessantes para a segurança da rede de comunicação, demonstrando potencial para compor um sistema de detecção de ataques DDOS realizado por mensagens GOOSE, na rede de comunicação das subestações de energia elétrica. / The IEC-61850 made it possible to integrate equipments of electric power system substations to a high-speed Ethernet data communication network. Its main goal is the interconnection of IEDs for the automation of processes in an electrical system. The contributions of this protocol for the integration of the control and supervision of the electrical system are diverse, although an Ethernet network exposes the electrical system for cyber attacks. The IEC-62351 states a series of recommendations to provide security to the communication network of the electrical system, such as the communication network management, the analysis of GOOSE messages and the use of intrusion detection systems. This study describes the development of an IDS that meets the security requirements proposed by the IEC-62351 standard to identify attacks on communication between GOOSE messages exchanged by electrical equipment using IEC-61850. For the development of this application, fields of the GOOSE messages were identified, in order to recognize the expected values in different power system operating conditions. Behaviour patterns were determined to detect false messages on the communication network. A real-time embedded operating system on ZYBO was installed and configured, as well as the OpenMul controller to manage the communication network of the substation through the OpenFlow protocol, performing optimizations for multicast traffic. A detection system and block tamper GOOSE messages, using the OpenFlow protocol for control of the electrical system communication network, were developed. In addition, an intelligent system using an Artificial Neural Network (ANN) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX) for predicting of the GOOSE messages traffic and the detection of Distributed Deny of Service attack (DDOS) were also developed. The results obtained show that the OpenFlow protocol may be a valuable tool for network control, however, manufacturers should maturely carry on with its implementation in the switches, so that it be used in substation communication networks. The traffic prediction system of the GOOSE messages presented interesting benefits for the security of the communication network, demonstrating potential to built a DDOS attack detection system performed by GOOSE messages on the communication network of electric power substations.

O protocolo International Electrotechnical Commission (IEC)-61850 tornou possível integrar os equipamentos das subestações de energia elétrica, através de uma rede de comunicação de dados Ethernet de alta velocidade. A utilização deste protocolo tem como objetivo principal a interligação dos Intelligent Electronic Devices (IEDs) para a automatização dos processos no sistema elétrico. As contribuições deste protocolo para a integração do controle e supervisão do sistema elétrico são diversas, porém, o fato de utilizar uma rede de comunicação de dados Ethernet integrada expõe o sistema elétrico à ataques cibernéticos. A norma IEC-62351 estabelece uma série de recomendações para prover segurança à rede de comunicação do sistema elétrico, dentre elas, o gerenciamento da rede de comunicação, a análise dos campos da mensagem Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) e a utilização de sistemas de detecção de intrusão. O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um Intrusion Detection System (IDS) que atende os requisitos de segurança propostos pelo protocolo IEC-62351, para a identificação de ataques à comunicação realizada por mensagens GOOSE do protocolo IEC-61850, e entre equipamentos do sistema elétrico. Para o desenvolvimento desta aplicação, foram identificados os campos que compõem as mensagens GOOSE, de forma a reconhecer os valores esperados em diferentes situações de operação do sistema elétrico. Determinaram-se padrões de comportamento a serem utilizados para discernir mensagens falsas na rede de comunicação. Instalou-se e configurou-se um sistema operacional de tempo real embarcado na plataforma de desenvolvimento Zynq Board (ZYBO), juntamente com o controlador Open-Mul, para gerenciar a rede de comunicação da subestação, através do protocolo OpenFlow, realizando otimizações para o tráfego multicast. Foi desenvolvido um sistema de detecção e bloqueio de mensagens GOOSE falsas que utiliza o protocolo OpenFlow para controle da rede de comunicação do Sistema Elétrico. Desenvolveu-se ainda um sistema inteligente, utilizando-se uma Rede Neural Artificial (RNA) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX), para predição do tráfego realizado por mensagens GOOSE e detecção de ataques Distributed Deny of Service (DDOS). Os resultados obtidos demonstraram que o protocolo OpenFlow pode ser uma ferramenta interessante para controle da rede, porém, os fabricantes necessitam amadurecer sua implementação nos switches, para que sejam utilizados em produção nas redes de comunicação das subestações. O sistema de predição do tráfego gerado por mensagens GOOSE apresentou benefícios interessantes para a segurança da rede de comunicação, demonstrando potencial para compor um sistema de detecção de ataques DDOS realizado por mensagens GOOSE, na rede de comunicação das subestações de energia elétrica. / The IEC-61850 made it possible to integrate equipments of electric power system substations to a high-speed Ethernet data communication network. Its main goal is the interconnection of IEDs for the automation of processes in an electrical system. The contributions of this protocol for the integration of the control and supervision of the electrical system are diverse, although an Ethernet network exposes the electrical system for cyber attacks. The IEC-62351 states a series of recommendations to provide security to the communication network of the electrical system, such as the communication network management, the analysis of GOOSE messages and the use of intrusion detection systems. This study describes the development of an IDS that meets the security requirements proposed by the IEC-62351 standard to identify attacks on communication between GOOSE messages exchanged by electrical equipment using IEC-61850. For the development of this application, fields of the GOOSE messages were identified, in order to recognize the expected values in different power system operating conditions. Behaviour patterns were determined to detect false messages on the communication network. A real-time embedded operating system on ZYBO was installed and configured, as well as the OpenMul controller to manage the communication network of the substation through the OpenFlow protocol, performing optimizations for multicast traffic. A detection system and block tamper GOOSE messages, using the OpenFlow protocol for control of the electrical system communication network, were developed. In addition, an intelligent system using an Artificial Neural Network (ANN) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX) for predicting of the GOOSE messages traffic and the detection of Distributed Deny of Service attack (DDOS) were also developed. The results obtained show that the OpenFlow protocol may be a valuable tool for network control, however, manufacturers should maturely carry on with its implementation in the switches, so that it be used in substation communication networks. The traffic prediction system of the GOOSE messages presented interesting benefits for the security of the communication network, demonstrating potential to built a DDOS attack detection system performed by GOOSE messages on the communication network of electric power substations.

[pt] Nesta Tese, o design robusto, com um modelo incerto de um sistema de vibro-impacto eletromecânico é feito. O sistema é composto de um carrinho, cujo movimento é aciondo por um motor de corrente contínua e um martelo embarcado neste carrinho. O martelo é ligado ao carrinho por um mola não linear e por um amortecedor linear, de modo que existe um movimento relativo entre eles. Uma barreira linear flexível, colocada fora do carrinho, restringe aos movimentos do martelo. Devido ao movimento relativo entre o martelo e a barreira, impactos podem ocorrer entre estes dois elementos. O modelo metemático desenvolvido para sistema leva em conta a influência do motor no comportamento dinâmico do sistema. Alguns parâmetros do sistema são incertos, tais como a rigidez e os coeficientes de amortecimento da barreira flexível. O objetivo da Tese é realizar uma otimização deste sistema eletromecânico com respeito a parâmetros de projeto, a fim de maximizar a potência de impacto sob a restrição de que a potência elétrica consumida pelo motor seja menor do que um valor máximo. Para escolher os parâmetros de projeto no problema de otimização, uma análise de sensibilidade foi realizada a fim de definir os parâmetros mais sensíveis do sistema. O problema de otimização é formulado no âmbito de otimização robusta, devido à presença de incertezas no modelo. As distribuições de probabilidades das variáveis aleatórias são construídas através do Princípio da Máxima Entropia e estatísticas da resposta estocástica do sistema são calculadas pelo método de Monte Carlo. O conjunto de equações não-lineares é apresentado, e um integrador temporal adaptado é desenvolvido. O problema de otimização não-linear estocástico com restrição é resolvido para diferentes níveis de incertezas e também para o caso determinístico. Os resultados são diferentes e isto mostra a importância da modelagem estocástica. / [en] In this Thesis, the robust design with a uncertain model of a vibro-impact eletromechanical system is done. The electromechanical system is composed of a cart, whose motion is excited by a DC motor (motor with continuous current), and an embarked hammer into this cart. The hammer is connected to the cart by a nonlinear spring component and by a linear damper, so that a relative motion exists between them. A linear flexible barrier, placed outside of the cart, constrains the hammer movements. Due to the relative movement between the hammer and the barrier, impacts can occur between these two elements. The developed model of the system takes into account the influence of the DC motor in the dynamic behavior of the system. Some system parameters are uncertain, such as the stiffness and the damping coefficients of the flexible barrier. The objective of the Thesis is to perform an optimization of this electromechanical system with respect to design parameters in order to maximize the impact power under the constraint that the electric power consumed by the DC motor is lower than a maximum value. To chose the design parameters in the optimization problem, a sensitivity analysis was performed in order to define the most sensitive system parameters. The optimization is formulated in the framework of robust design due to the presence of uncertainties in the model. The probability distributions of random variables are constructed using the Maximum Entropy Principle and statistics of the stochastic response of the system are computed using the Monte Carlo method. The set of nonlinear equations are presented, and an adapted time domain solver is developed. The stochastic nonlinear constrained design optimization problem is solved for different levels of uncertainties, and also for the deterministic case. The results are different and this show the importance of the stochastic modeling. / [fr] Dans cette Thèse, nous étudions l optimization robuste avec un modèle incertain d un système étrectromécanique avec vibro-impact. Le système életromécanique est contitué d un chariot dont le mouvement est généré par un moteur à courant continu, et d un mateau embarqué dans ce chariot. Le Marteau est relié au chariot par un resort non linéaire et par un amortisseur linéaire, de façon qu un mouvement relative existe entre eux. Une barrière flexible linéaire, placée à l extérieur du chariot limite les mouvements du Marteau. En raison du mouvement relative entre le Marteau et la barrière, des impacts peuvent se produire entre ces deux éléments. Le modèle du système dèveloppé prend en compte l influence du moteur à courant continu dans la comportement dynamique du système. Certains paramètres du système sont incertains, tells que les coefficients de rigidité et d amortissement de la barreire flexible. L objectif de la Thèse est de réaliser une optimization de ce système életromécanique en jouant sur les paramètres de conception. Le but est de maximizer la puissance d impact sous la contrainte que la puissance électrique consommée par le moteur à courant continu soit inférieure à une valeur maximale. Pour choisir les paramétres de conception dans le probléme d optimisation, une analyse de sensibilité a été réalisée afin de definir les paramètres du système les plus sensibles. L optimisation est formulée dans le cadre de la conception robuste em raison de la présence d incertitudes dans le modele. Les lois de probabilités des variables aléatoires du problème sont construites em utilisant le Principle du Maximum d Entropie. Les statistiques de la réponse stochastique du système sont caçculées em utilisant la méthode de Monte Carlo. L emsemble de équations non linéaires est presente, et um solveur temporel adapte est développé. Le probléme d optimisation non linéaire stochastique est résolu pour différents niveaux d incertitudes, ainsi que pour le cas déterministe. Les résultats sont différents, ce qui montre l importance de la modélisation stochastique.

[pt] Sistemas rotativos atuados através de um eixo flexível apresentam um grande desafio para estratégias de controle, uma vez que o atuador não está conectado diretamente ao sistema principal, causando efeitos de propagação de ondas e acúmulos e dissipações de energia no eixo. Este trabalho apresenta um estudo sobre uma das mais notórias aplicações deste problema, sistemas de perfuração de petróleo. Habitualmente, o sistema de perfuração é composto por um motor de topo conectado à broca através de milhares de metros de tubos de aço que transmitem o toque. Diversos tipos de vibrações podem ser observadas: Axiais, de flexão e torcionais, estas últimas ligadas ao fenomeno stick-slip. Para um completo conhecimento do problema, é necessário conhecer cada uma delas. Esta tese trata especificamente das vibrações torsionais através de uma análise com dois diferentes modelos, um primeiro mais simples de fois graus de liberdade (inércia, mola torcional, amortecedor), e um segundo mais completo discretizado em 20 graus de liberdade capaz de considerar a masssa do eixo e efeitos de propagação de ondas mecânicas no eixo. Este trabalho inclui aidna a construção de uma bancada em escala reduzida para observar os fenômenos associados as vibraçoes torcionais. São apresentados ainda estudos numéricos e experimentais de técnicas de controle de minimizar os efeitos do atrito na dinâmica torcional do sistema. Duas estrututas de controle são estudadas nesta tese a fim de reduzir vibrações torcionais em colunas de perfuração. A primeira é um controle simples, de malha aberta, baseado no comportamento do sistema. A segunda é o controle adaptativo L1, que faz uso de um modelo de refeência do sistema em sua estrutura. / [en] Systems actuated trough a highly flexible shaft poses a big challenge to control strategies as the actuator is not connected directly to the end effector, causing propagation effects as well as an energy accumulation and dissipation in the shaft. This thesis focuses the study of one of the most investigated application of this type, the top driven drilling system used in the oil and gas industry. Usually, the drilling system is composed by a top drive linked to the drill bit trough hundreds or even thousands of meters of steel pipes. All kind of vibrations will be found: longitudinal deformations will be associated to the bit bouncing, flexional with rubbing, and torsional with stick-slip effects. A better understanding is only possible when each of these situations is carefully investigated. This thesis focuses on the torsional deformation of the highly flexible string and presents two different models for the drill string, the first is the most common single spring single damper model. The second one is a 20 DOF Lumped parameters that has the advantage of being able to consider the mass of the drill string and propagation of torsional waves in the shaft. The investigation includes the development of a test rig adequate for torsional vibrations under damping that may induce stick-slip in the system. Two control techniques are studied to reduce the torsional vibrations in drill strings with numerical and experimental results presented. The first is a behavior based open loop scheme control, which is very simple and effective to reduce stick-slip oscillations. The second one is the L1 adaptive control that uses a reference model on its structure.

[pt] Com o aumento da expectativa, de vida o envelhecimento da população vem se tornando uma realidade cada vez mais presente no Brasil e no mundo. Esse novo panorama demográfico já é vivenciado por países ricos, que vêm cada vez mais investindo para se enquadrar nessa nova realidade, seja por meio da adaptação de suas cidades ou pelo desenvolvimento de novas tecnologias para melhora da qualidade de vida. Na área da robótica, diversas pesquisas vêm sendo desenvolvidas com o intuito de reabilitação e melhora da qualidade de vida da população idosa. Nesses trabalhos são desenvolvidos, por exemplo, dispositivos que buscam auxiliar o idoso na realização de suas atividades diárias, provendo, principalmente, suporte e prevenção de quedas. Essa dissertação de mestrado apresenta o desenvolvimento do protótipo de um dispositivo para assistência a locomoção de pessoas idosas que possuam alguma deficiência visual, motora e/ou cognitiva. O dispositivo tem como objetivo guiar o usuário em ambientes urbanos de maneira autônoma. O protótipo deve ser capaz de desviar de qualquer obstáculo que possa levar o idoso à queda, além de ter uma estrutura que ofereça apoio para o seu deslocamento. O dispositivo proposto possui uma estrutura semelhante a um andador, cuja base é um robô móvel diferencial. Para que possa obter informações do ambiente, o dispositivo está equipado com sensores de distância, uma central inercial e encoders nas rodas. Todo o processamento ocorre em uma CPU de baixo custo, Raspberry Pi 1 versão 2, embarcada no próprio dispositivo e o controle de navegação ocorre por meio de um algoritmo baseado em lógica Fuzzy. Os acessos ao hardware e software de controle do dispositivo são gerenciados pelo framework de robótica Player (Gerkey e contribuidores, 2010). Para que o dispositivo receba a rota de navegação ele está conectado a um celular, com sistema operacional Android, via protocolo TCP/IP. Esse celular está executando uma API (Application Programming Interface) do Google Maps que fornece direção e distância ao objetivo a cada passo da interação, além da localização global do dispositivo, por meio do sensor GPS do celular. O objetivo deve ser inicialmente estabelecido pelo usuário por meio da API desenvolvida, para que a navegação autônoma ocorra. Além da navegação autônoma, o dispositivo permite que usuário envie comandos diretamente para os motores por meio de sensores de força instalados próximos aos pontos de apoio do usuário. / [en] With the increase in life expectation, the ageing population has become more present in Brazil and the world. This new demographic scenery has been already framed by rich countries, which are increasingly investing to fit this new reality, either through the adaptation of their cities or the development of new technologies to improve the quality of life. In the area of robotics, several researches have been developed with the aim of rehabilitation and improvement of the quality of life of the elderly population. These researches are developing, for example, devices to assist the elderly in carrying out their daily activities, providing support and prevention of falls. This work presents the development of the prototype of a device to assist elderly person with any visual, cognitive and/or motor impairment to locomotion by itself. The device aims to guide the user autonomously in urban environments. The prototype should be able to avoid any obstacle that can cause the elderly to fall, besides having a structure that offers support for his balance. The proposed device has a structure similar to a walker whose base is a differential mobile robot. For the device be able to get information from the environment, it is embedded with range sensors, a measurement central unit and encoders at the wheels. All processing occurs in a low-cost CPU, Raspberry Pi 1 B version 2, which is embedded in the mobile device, and the navigation control algorithm is based on fuzzy logic. The robotic framework Player (Gerkey and contributors, 2010) provides the access to the hardware and software of the device. For the device to receive the navigation route, it is connected to an Android operating system phone, by TCP/IP protocol. This phone runs an API (Application Programming Interface) from Google Maps that provides the direction and the distance to the goal in every step of its interaction, besides the global location of the robot, provided by the GPS sensor of the phone. The user should firstly set the goal with the API developed, so that the autonomous navigation will occur. In addition to the autonomous navigation, the device allows the user to send commands directly to the motors by means of the force sensors installed at the robot cane.