The goal of the proposed research is to provide efficient methods for defining, selecting and encoding multi-modal control programs. To this end, modes are recovered from system observations, i.e. quantized input-output strings are converted into consistent mode sequences within the Motion Description Language (MDL) framework. The design of such modes can help identify and predict the behaviors of complex systems (e.g. biological systems such as insects) and inspire the design and control of robust semi-autonomous systems (e.g. navigating robots). In this work, the efficiency of a method will be defined by the complexity and expressiveness of specific control programs. The insistence on low-complexity programs is originally motivated by communication constraints on the computer control of semi-autonomous systems, but also by our belief that, as complex as they may look, natural systems indeed use short motion schemes with few basic behaviors. The attention is first focused on the design of such short-length, few-distinct-modes mode sequences within the MDL framework. Optimal control problems are then addressed. In particular, given a mode sequence, the question of deciding when the system should switch from one mode to another in order to achieve some reachability requirements is studied. Finally, we propose to investigate how sampling strategies affect complexity and reachability, and how an acceptable trade-off between these conflicting entities can be reached.

Thesis (Ph. D.)--Florida State University, 2006. / Advisor: Xiuwen Liu, Florida State University, College of Arts and Sciences, Dept. of Computer Science. Title and description from dissertation home page (viewed Sept. 20, 2006). Document formatted into pages; contains xi, 109 pages. Includes bibliographical references.

This Thesis compares CTG classification techniques proposed in the literature and their potential extensions. A comparison between four classifiers previously assessed - Adaboost, Artificial Neural Networks (ANN), Random Forest (RF), Support Vector Machine (SVM) - and two proposed classifiers - Bayesian ANN (BANN), Relevance Vector Machine - was conducted using a database of 7,568 cases and two open source databases. The Random Forest (RF) achieved the highest average result and was proposed as a benchmark classifier. The proposal to use model certainty to introduce a third, unclassified, class was investigated using the BANN. An increase in the classification accuracy was demonstrated, however the proportion of cases in the unclassified class was too great to be of practical value. The information content of time series was explored using a Hidden Markov Model (HMM). The average performance of the HMM was comparable with the performance of the benchmark with a smaller distribution across validation folds, demonstrating that time-series information provides more stable estimates of class than stationary methods. Finally a method of system identification was implemented. Significant differences between feature trends and histograms in low pH (< 7.1) and healthy pH (≥ 7.1) cases were observed. These features were used as classifier inputs, and achieved performance similar to existing feature sets. When these features were aligned according the onset of stage 2 labour three unique trend patterns were discovered.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) é um microsistema invasivo, intermediador e interativo que se desenvolve de forma inteligente, versátil e eficiente. Entretanto, a interatividade, característica que o torna altamente atrativo e suas qualidades de leveza, invisibilidade, economia quanto a consumo de energia, robustez e alta confiabilidade são foco de investigação. Através da obtenção dos parâmetros característicos muitos desses aspectos podem ser otimizados. Conseqüentemente, este trabalho se propõe obter os parâmetros característicos necessários ao modelo matemático de atuadores MEMS, baseados em deformação elástica e dinâmica combdrive, de forma a descrever com precisão o comportamento linear destes em nível de sistema. Os parâmetros característicos de MEMS podem ser extraídos no próprio simulador, ou identificados através da manipulação dos dados dos sinais de entrada e saída obtidos na execução de testes modais sobre o protótipo. Quando a identificação é determinística, utiliza sinais de excitação que obedecem a uma boa relação sinal-ruído (SNR-Signal-Noise Rate). Quando a identificação é estocástica utiliza sinais de excitação misturados com ruído. Essas duas formas de identificação podem ser interpretadas como os dois extremos de identificação. A rigor, qualquer procedimento que não esteja em nenhum desses extremos pode ser denominado de identificação “caixa-cinza”. Dessa forma, a proposta deste trabalho investigativo consiste em utilizar a identificação “caixa cinza” para obter os parâmetros característicos dos atuadores eletromecânicos MEMS combinando as vantagens dos procedimentos determinísticos e estocásticos. Sob este propósito, foi feita revisão das propriedades da matéria, conceituação de atuadores, compreensão da visão bottom-up e, finalmente, estudo de modelos estocásticos com entradas exógenas ARX (Autoregressive with Exogenous Inputs) e uso de estimadores recursivos, Mínimos Quadrado e Variável Instrumental. A comparação dos resultados do modelo determinístico produzido através de FEM/BEM permite testar o desempenho entre dois modelos de índoles diferentes. Os resultados obtidos após a coleta de dados, a escolha da representação matemática, a determinação da estrutura do modelo, a estimação dos parâmetros e a validação do modelo das três tipologias de atuadores desenvolvidos: pontes simples, ponte dupla e dobradiça dupla permitem identificar os parâmetros característicos com erro quadrático médio menor a 1% e validar esses parâmetros num período não maior a 0,5s. Os resultados se mostram altamente satisfatórios, tornando este trabalho uma contribuição científica à síntese de MEMS em nível de sistemas. / MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) is an invasive, intermediator and interactive small size system that develops in an intelligent, versatile and efficient way. However, the interactivity, feature that makes the system highly attractive and its qualities of lightness, invisibility, economy with regard to power consumption, robustness and high reliability are the focus of research. By obtaining the characteristic parameters many of these aspects can be optimized. Therefore, this study proposes to obtain the characteristic parameters necessary for the mathematical model for MEMS actuators, based on elastic deformation and dynamic comb-drive in order to accurately describe the linear behavior in level system. The characteristic parameters of MEMS can be extracted in the own simulator or identified through the manipulation of input and output data signals obtained in the execution of modal tests on the prototype. When the identification is deterministic, it uses the excitation signals that follow a good signal noise rate (SNR). When the identification is stochastic it uses excitation signals mixed with noise. These two forms of identification can be interpreted as the two extremes of the identification. Strictly speaking, any procedure that is not in any of these extremes may be called the "gray-box" identification. Thus, the propose of this research work consists of using the “gray-box” identification to obtain the characteristic parameters of the MEMS electro-mechanical actuators combining the advantages of the deterministic and stochastic procedures. Under this purpose, it was made revision of the matter features, conceptualization of the actuators, comprehension of the bottom-up vision and, finally, study of the stochastic models with autoregressive exogenous inputs (ARX) and the use of recursive estimators, Least Square and Instrumental Variable. The comparison of results of the deterministic model generated by FEM / BEM, allows testing the performance between two models of different kinds. The results obtained after the data collection, the choice of mathematical representation, the determination of the structure of the model, the estimation of the parameters and validation of the model of three actuators topologies developed (simple bridges, double bridge and double hinge) that permit to identify the parameters with a average quadratic error minor than 1% and to validate these parameters in a period not more than 0.5s. The results show highly satisfactory, becoming this work a scientific contribution to MEMS synthesis at system levels.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) é um microsistema invasivo, intermediador e interativo que se desenvolve de forma inteligente, versátil e eficiente. Entretanto, a interatividade, característica que o torna altamente atrativo e suas qualidades de leveza, invisibilidade, economia quanto a consumo de energia, robustez e alta confiabilidade são foco de investigação. Através da obtenção dos parâmetros característicos muitos desses aspectos podem ser otimizados. Conseqüentemente, este trabalho se propõe obter os parâmetros característicos necessários ao modelo matemático de atuadores MEMS, baseados em deformação elástica e dinâmica combdrive, de forma a descrever com precisão o comportamento linear destes em nível de sistema. Os parâmetros característicos de MEMS podem ser extraídos no próprio simulador, ou identificados através da manipulação dos dados dos sinais de entrada e saída obtidos na execução de testes modais sobre o protótipo. Quando a identificação é determinística, utiliza sinais de excitação que obedecem a uma boa relação sinal-ruído (SNR-Signal-Noise Rate). Quando a identificação é estocástica utiliza sinais de excitação misturados com ruído. Essas duas formas de identificação podem ser interpretadas como os dois extremos de identificação. A rigor, qualquer procedimento que não esteja em nenhum desses extremos pode ser denominado de identificação “caixa-cinza”. Dessa forma, a proposta deste trabalho investigativo consiste em utilizar a identificação “caixa cinza” para obter os parâmetros característicos dos atuadores eletromecânicos MEMS combinando as vantagens dos procedimentos determinísticos e estocásticos. Sob este propósito, foi feita revisão das propriedades da matéria, conceituação de atuadores, compreensão da visão bottom-up e, finalmente, estudo de modelos estocásticos com entradas exógenas ARX (Autoregressive with Exogenous Inputs) e uso de estimadores recursivos, Mínimos Quadrado e Variável Instrumental. A comparação dos resultados do modelo determinístico produzido através de FEM/BEM permite testar o desempenho entre dois modelos de índoles diferentes. Os resultados obtidos após a coleta de dados, a escolha da representação matemática, a determinação da estrutura do modelo, a estimação dos parâmetros e a validação do modelo das três tipologias de atuadores desenvolvidos: pontes simples, ponte dupla e dobradiça dupla permitem identificar os parâmetros característicos com erro quadrático médio menor a 1% e validar esses parâmetros num período não maior a 0,5s. Os resultados se mostram altamente satisfatórios, tornando este trabalho uma contribuição científica à síntese de MEMS em nível de sistemas. / MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) is an invasive, intermediator and interactive small size system that develops in an intelligent, versatile and efficient way. However, the interactivity, feature that makes the system highly attractive and its qualities of lightness, invisibility, economy with regard to power consumption, robustness and high reliability are the focus of research. By obtaining the characteristic parameters many of these aspects can be optimized. Therefore, this study proposes to obtain the characteristic parameters necessary for the mathematical model for MEMS actuators, based on elastic deformation and dynamic comb-drive in order to accurately describe the linear behavior in level system. The characteristic parameters of MEMS can be extracted in the own simulator or identified through the manipulation of input and output data signals obtained in the execution of modal tests on the prototype. When the identification is deterministic, it uses the excitation signals that follow a good signal noise rate (SNR). When the identification is stochastic it uses excitation signals mixed with noise. These two forms of identification can be interpreted as the two extremes of the identification. Strictly speaking, any procedure that is not in any of these extremes may be called the "gray-box" identification. Thus, the propose of this research work consists of using the “gray-box” identification to obtain the characteristic parameters of the MEMS electro-mechanical actuators combining the advantages of the deterministic and stochastic procedures. Under this purpose, it was made revision of the matter features, conceptualization of the actuators, comprehension of the bottom-up vision and, finally, study of the stochastic models with autoregressive exogenous inputs (ARX) and the use of recursive estimators, Least Square and Instrumental Variable. The comparison of results of the deterministic model generated by FEM / BEM, allows testing the performance between two models of different kinds. The results obtained after the data collection, the choice of mathematical representation, the determination of the structure of the model, the estimation of the parameters and validation of the model of three actuators topologies developed (simple bridges, double bridge and double hinge) that permit to identify the parameters with a average quadratic error minor than 1% and to validate these parameters in a period not more than 0.5s. The results show highly satisfactory, becoming this work a scientific contribution to MEMS synthesis at system levels.

Orientador: Samuel Euzédice de Lucena / Banca: Leonardo Mesquita / Banca: Inacio Bianchi / Banca: Germano Lambert -Torres / Banca: Neusa Maria Franco de Oliveira / Resumo: Este trabalho apresenta uma metodologia para desenvolvimento de sensores virtuais capazes de inferir variáveis de processos altamente não lineares e variantes no tempo. A metodologia proposta emprega modelagem nebulosa de sistemas dinâmicos complexos, em que a parte antecedente das regras emprega a técnica de agrupamento (clusterização) de Gustafson-Kessel (product space clustering), e os parâmetros da parte conseqüente das regras são estimados utilizando-se o algoritmo dos mínimos quadrados recursivos, com fator de esquecimento variável. O algoritmo proposto foi avaliado por meio de um modelo virtual implementado em ambiente Matlab®/Simulink® para o processo de neutralização de pH, amplamente utilizado pela literatura técnico-científica para investigação de algoritmos de identificação, controle de processos e simulação de sistemas não lineares e variantes no tempo. O algoritmo de identificação nebulosa proposto e implementado neste trabalho, utilizado como sensor virtual de pH, forneceu resultados muito coerentes, quando comparado com outras técnica de modelagem da literatura, no tocante ao tempo de resposta, erro de predição, capacidade de adaptação e número de amostras necessárias à fase de treinamento / Abstract: The design of a virtual sensor involves the choice of variables to be measured and the choice of a method for obtaining the model. This paper presents a methodology for developing virtual sensors capable of inferring process variables highly nonlinear and time varying. The proposed methodology employs fuzzy modeling of complex dynamic systems in which the antecedent part of rules employs the technique of clustering Gustafson-Kessel (product space clustering), and the parameters of consequent part of rules are estimated using the algorithm of the minimum recursive squares with variable forgetting factor. The algorithm was evaluated through a virtual model implemented in Matlab®/Simulink® for the pH neutralization process, widely used by scientific and technical literature to investigate the identification algorithms, process control and simulation of nonlinear systems and variants in time. The fuzzy identification algorithm proposed and implemented in this work, used as a virtual sensor of pH, provided very interesting results when compared with other modeling technique of the literature regarding the response time, error prediction, adaptive capacity and number of samples necessary for the training phase / Doutor

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2036431 bytes, checksum: 88e5aa7eb3c25813fc9bdaac159e943a (MD5) Previous issue date: 2011-11-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This research aims at developing adaptive decentralized and centralized controllers for two links of an electromechanical manipulator robot of five degrees of freedom (5 DOF). The manipulator robot is consisted of five rotational joints, four links and a claw. Five DC motors are used to drive the robot and the motion transmission of the motors for the joints is achieved by gear trains. The measurements of the angular positions of the joints are made by potentiometers. Models of the manipulator robots, which are coupled and nonlinear, are obtained by using Newton- Euler and Lagrange equations. In this research, the models of the links of the manipulator robot are obtained in real time for each sampling period. The parameters of the links, to be controlled, are identified by recursive least squares (RLS) method resulted from imposed excitation to the motors which activate the links and the responses obtained by means of the joints. These parameters are used in the designs of adaptive controllers for the positions control of the link joints in question. Experimental results are presented, as well as evaluation of the achieved performance by the controlled links of the robot. / O objetivo do presente trabalho é apresentar o projeto de controladores adaptativos descentralizados e centralizados para dois elos de um robô manipulador eletromecânico de cinco graus de liberdade (5 GDL). O robô manipulador é composto por cinco juntas rotacionais, por quatro elos e uma garra. Cinco motores de corrente contínua são utilizados para o acionamento do robô. A transmissão do movimento dos motores para as juntas é realizada através de trens de engrenagens. As medidas das posições angulares das juntas são realizadas por potenciômetros. Modelos de robôs manipuladores são obtidos usando equações de Newton Euler ou de Lagrange; e são acoplados e não lineares. Neste trabalho, os modelos dos elos do robô manipulador são obtidos em tempo real, para cada período de amostragem. Os parâmetros dos elos, a serem controlados, são identificados pelo método dos mínimos quadrados recursivo (MQR), em função de excitações impostas aos motores que acionam os elos e das respostas obtidas nas juntas e são usados nos projetos dos controladores adaptativos, para o controle das posições das juntas dos elos em análise. Finalizando, são apresentados resultados experimentais bem como a avaliação do desempenho obtido pelos elos controlados do robô.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 1731249 bytes, checksum: b526d4df9a40f0fe59df8d314c9314af (MD5) Previous issue date: 2009-10-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The objective of this thesis was to model and control in real time a planar manipulator robot with two degrees of freedom (2-DOF), comprising a rotational and a prismatic link. The rotational link is an aluminum U-channel activated by a motor-reducer DC. The prismatic link comprises a double-acting pneumatic cylinder and a pass-through rod fixed inside the U-channel and activated by a 5-way electropneumatic proportional valve with three positions. A 10 turn potentiometer senses the angular position of the rotational link, and a potentiometric ruler senses its linear position of the prismatic link. The mathematical model that represents the manipulator robot, whose parameters are estimated in real time by the recursive least squares (RLS) method, is obtained as a function of the inputs fed into the manipulator and its measured outputs, considering the coupling between the links, based on a structure predefined for this purpose. After modeling the system, self-adjustable adaptive controls of generalized minimum variance (GMV) are designed and implemented, which control the position of the manipulator robot according to trajectories specified for the two links. Lastly, the estimated and experimental responses of the system are presented and compared, considering its links operating in uncoupled and coupled mode under the action of the designed controls. / A presente tese tem como objetivo o modelamento e controle em tempo real de um robô manipulador de dois graus de liberdade planar, constituído de um elo rotacional e outro prismático. O elo rotacional é um perfil U em alumínio e tem como atuador um motor-redutor de corrente contínua. O elo prismático é composto por um cilindro pneumático de dupla ação e haste passante, fixado no interior do perfil U e tem como atuador uma válvula eletropneumática proporcional de cinco vias e três posições. O sensoriamento de posição angular do elo rotacional é realizado por meio de um potenciômetro de dez voltas, e o de posição linear do elo prismático é realizado através de uma régua potenciométrica. É obtido o modelo matemático representativo do robô manipulador cujos parâmetros são estimados em tempo real pelo método dos mínimos quadrados recursivo (MQR), em função de entradas impostas ao manipulador e das saídas obtidas considerando o acoplamento entre os elos, a partir de uma estrutura pré-definida para este fim. De posse do modelo do sistema, controladores adaptativos de variância mínima generalizado (GMV) auto-ajustáveis são projetados e implementados visando o controle de posição do robô manipulador, conforme trajetórias especificadas para ambos os elos. Resultados de simulações e experimentais dos modelos estimados e respostas do sistema, considerando seus elos operando de forma desacoplada e acoplada sob a ação dos controladores, são apresentados e comparados.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2940644 bytes, checksum: 1b1c6c2e9969d935855932e2f2a1e436 (MD5) Previous issue date: 2013-12-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a development and implementation of control adaptive techniques for a planar manipulator robot with two degrees of freedom, formed a rotational and a prismatic link. The rotational link is made up of a branch long U-shaped aluminum activated by a motor-reducer DC, its angular position is sensed by a ten turn potentiometer. The prismatic link is a double-acting pneumatic cylinder with a single rod fixed inside the branch U-shaped being triggered by an electropneumatic proportional valve, where linear position is given by a potentiometric ruler. Using the recursive least squares (RLS) estimator is obtained the mathematic model that represents each robot link so as uncoupled, then is designed and implemented an adaptive controller Proportional Derivative (PD-control) by pole placement to obtain the positions of the robot manipulator links. The experimental results are presented, as well as evaluation of the system response under the action of controllers implemented / Este trabalho apresenta o desenvolvimento e implementação de técnicas de controle adaptativo para um robô manipulador de dois graus de liberdade planar formado por um elo rotacional e outro prismático. O elo rotacional é composto por um ramo extenso em formato de U em alumínio acionado por um moto-redutor de corrente contínua, cujo sensoriamento da sua posição angular é realizado por um potenciômetro de dez voltas. O elo prismático é um cilindro pneumático de dupla ação com haste simples fixada na parte interna do ramo em U sendo acionado por uma válvula eletropneumática proporcional, onde sua posição linear é dada através de uma régua potenciométrica. Através do estimador dos mínimos quadrados recursivos (MQR) é obtido o modelo matemático representativo para cada elo do robô de forma desacoplada e em seguida é projetado e implementado um controlador adaptativo proporcional derivativo (PD) via alocação de polos para obter o controle de posição dos elos do robô manipulador. Os resultados experimentais são apresentados, assim como a avaliação da resposta do sistema sob a ação dos controladores implementados

Made available in DSpace on 2015-05-08T15:00:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1708281 bytes, checksum: 415dd2aa16def4aa6286d61c1482fef0 (MD5) Previous issue date: 2010-12-19 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a design of adaptive controllers for cartesian electropneumatic manipulator robot with three degrees of freedom (3DOF) cartesian. The manipulator is basically composed of three valves and three electro-pneumatic cylinders. It use the estimator of the recursive least squares (RLS) to obtain the representative model of the links of the manipulator robot. The model is used in the design of adaptive controllers Dahlin Minimum Variance (DMV) with the criterion of Favier and Hassani for position control of links robot. The experimental results are presented, as well as evaluation of the achieved performance by the manipulator robot. / Este trabalho apresenta um projeto de controladores adaptativos para um robô manipulador eletropneumático de três graus de liberdade (3GDL) cartesiano. O robô manipulador é composto basicamente por três válvulas eletropneumáticas e três cilindros pneumáticos. É utilizado o estimador dos mínimos quadrados recursivos (MQR) para a obtenção do modelo representativo dos elos do robô manipulador. O modelo obtido é utilizado no projeto dos controladores adaptativos Dahlin Variância Mínima (DMV) com o critério de Favier e Hassani para o controle de posição dos elos do robô. Os resultados experimentais são apresentados, assim como a avaliação do desempenho obtido pelo robô manipulador.