La stratégie de l'équipe biorobotique est de s'inspirer de découvertes faites en biologie chez l'insecte ailé dont la vision est adaptée à la navigation autonome dans un environnement 3D inconnu. Cette inspiration donne naissance la réalisation de capteurs visuels minimalistes permettant de rendre autonomes des robots volants, pour des tâches complexes telles que : le décollage et l'atterrissage automatiques, l'évitement d'obstacles et, dans le cas de cette thèse, le vol stationnaire.Cette thèse présente la mise en œuvre des capteurs visuels minimalistes bio-inspirés qui, grâce à des algorithmes de traitement que nous avons réalisés, sont capables de localiser la position d'objets visuels en tirant partie de propriétés souvent bannies en optique : un flou, obtenu par défocalisation, associé à un micro-mouvement rétinien actif. Nous montrons que la précision en localisation ainsi obtenue est considérablement améliorée par rapport à la résolution statique définie par l'échantillonnage spatial : ces capteurs optiques bio-inspirés sont donc dotés d'hyperacuité.Cette thèse présente aussi l'œil composé artificiel miniature CurvACE (de 2,2cm3 pour 1,75g) doté d'une vision panoramique (180x60°). Cette thèse décrit la caractérisation et la mise en œuvre du capteur CurvACE sur le robot HyperRob. En fusionnant les mesures de position données par une quarantaine de pixels couvrant un grand champ visuel, l'œil CurvACE mesure sa position par rapport à un environnement visuel texturé complexe. Nous montrons aussi que le robot volant HyperRob, attaché au bout d'un bras, stabilise son roulis et sa position, dans le plan azimutal, grâce à son œil composé artificiel doté d'hyperacuité. / The biorobotics team from the Institute of Movement Sciences (Marseille, France) takes its inspiration from biological studies on flying insects which are able to navigate into unknown 3D environments with a high maneuverability. These studies led us to build minimalist optical sensors to make aerial robots autonomous for achieving complex tasks such as automatic landing and take-off, obstacle avoidance and very accurate hovering flight depicted in this doctoral thesis. This work presents several bio-inspired visual sensors implemented with different visual processing algorithms. All these sensors are able to locate visual objects (contrasting edges and bars) with unusual properties for optical sensing devices: a blur obtained by defocusing optics related with active retinal micro-movements to improve the sensor resolution. We showed that the resolution in locating contrasting objects can be improved up to 160 fold better than the static resolution defined by the pixel pitch, which means that these bio-inspired optical sensors are endowed with hyperacuity.The thesis presents a miniature artificial compound eye CurvACE (of 1.75g for 2.2cm3) with a panoramic field of view (180x60°). This thesis describes thoroughly the characterization and the implementation of the CurvACE sensor onboard an aerial robot named HyperRob. This artificial compound eye acts as a position sensing device able to measure its position relative to a complex textured scene by fusing the position measurements obtained by 40 pixels. The tethered flying robot HyperRob (a 150-g bi-rotor with a 23-cm wingspan) stabilizes its roll and its position thanks to its hyperacute artificial compound eye.

De nos jours, les applications utilisant des quadrirotors autonomes sont en plein essor. La surveillance et la sécurité de sites industriels ou sensibles, de zones géographiques pour l’agriculture par exemple sont quelques-unes des applications les plus célèbres des véhicules aériens sans pilote (UAV). Actuellement, certains chercheurs et scientifiques se concentrent sur le déploiement multi-drones pour l’inspection et la surveillance de vastes zones. L’objectif de cette thèse est de concevoir des algorithmes afin de réaliser une commande de vol en formation distribuée/décentralisée de multi-UAVs en temps réel dans une perspective de systèmes de systèmes. Tout d’abord, nous avons passé en revue certains travaux récents de la littérature sur la commande de vol en formation et la commande de quadrirotors. Nous avons présenté une brève introduction sur les systèmes de systèmes, leur définition et leurs caractéristiques. Ensuite, nous avons introduit la commande de vol en formation avec ses structures les plus utilisées dans la littérature. Nous avons alors présenté quelques travaux existants traitant du flocking (comportement de regroupement en flotte), les méthodes de modélisation les plus utilisés pour les quadrirotors et quelques approches de commande les plus utilisées pour stabiliser des quadrirotors. Deuxièmement, nous avons utilisé la structure de la commande comportementale pour réaliser un vol en formation de plusieurs UAVs. Nous avons conçu un comportement pour réaliser le vol en formation de multi-UAVs sans fragmentation. Le comportement proposé traite le problème flocking dans une perspective globale, c’est-à-dire, nous avons inclus une tendance dans chaque drone pour former une formation. Les défis des Systèmes de systèmes nous a motivés à chercher des algorithmes de flocking et de consensus introduits dans la littérature qui peuvent être utiles pour répondre à ces défis. Cela nous a amenés à proposer quatre lois de commande en visant à être compatibles avec le modèle non linéaire des quadrirotors et pouvant être expérimentés sur des plates-formes réelles. Les lois de commande ont été exécutées à bord de chaque quadrirotor dans la formation et chaque quadrirotor interagit avec ses voisins pour assurer un vol en formation sans collision. Enfin, nous avons validé nos lois de commande par des simulations et des expériences en temps réel. Pour la simulation, nous avons utilisé un simulateur de multi quadrirotors développé au laboratoire Heudiasyc. Pour les expériences, nous avons mis en œuvre nos lois de contrôle sur des quadrirotors ArDrone2 évolués dans un environnement intérieur équipé d’un système de capture de mouvement (Optitrack). / Nowadays, applications of autonomous quadrotors are increasing rapidly. Surveillance and security of industrial sites, geographical zones for agriculture for example are some popular applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Nowadays, researchers and scientists focus on the deployment of multi-UAVs for the inspection and the surveillance of large areas. The objective of this thesis is to design algorithms and techniques to perform a real-time distributed/decentralized multi-UAVs flight formation control, from a system of systems perspective. Firstly, we reviewed recent works of the literature about flight formation control and the control of quadrotors. We presented a brief introduction about systems of systems, their definition and characteristics. Then, we introduced the flight formation control with its most used structures in the literature, some existing works dealing with flocking. Finally, we presented the most used modeling methodologies for quadrotors and some control approaches that are used to stabilize quadrotors. Secondly, we used the behavioral-based control structure to achieve a multiple UAV flocking. We conceived a behavior intending to address the control design towards a successful achievement of the flocking task without fragmentation. The proposed behavior treats the flocking problem from a global perspective, that is, we included a tendency of separated UAVs to form a flock.System of systems challenges motivated us to look for flocking and consensus algorithms introduced in the literature that could be helpful to answer to these challenges. This led us to propose four flocking control laws aiming at being compatible with the nonlinear model of quadrotors and at being implemented on experimental platforms. The control laws were run aboard each quadrotor in the flock. By running the control law, each quadrotor interacts with its neighbors to ensure a collision-free flocking. Finally, we validated our proposed control laws by simulations and real-time experiments. For the simulation, we used a PC-based simulator of flock of multiple quadrotors which was developed at Heudiasyc laboratory. For experiments, we implemented our control laws on ArDrone2 quadrotors evolved in an indoor environment equipped with an Optitrack motion capture system.

Cette thèse développe une méthode de faisceau non convexe pour la minimisation de fonctions localement lipschitziennes lower C1 puis l’applique à des problèmes de synthèse de lois de commande structurées issus de l’industrie aéronautique. Ici loi de commande structurée fait référence à une architecture de contrôle, qui se compose d’éléments comme les PIDs, combinés avec des filtres variés, et comprenant beaucoup moins de paramètres de réglage qu’un contrôleur d’ordre plein. Ce type de problème peut se formuler dans le cadre théorique et général de la programmation non convexe et non lisse. Parmi les techniques numériques efficaces pour résoudre ces problèmes non lisses, nous avons dans ce travail, opté pour les méthodes de faisceau, convenablement étendues au cas non convexe. Celles-ci utilisent un oracle qui, en chaque itéré x, retourne la valeur de la fonction et un sous-gradient de Clarke arbitraire. Afin de générer un pas de descente satisfaisant à partir de l’itéré sérieux courant, ces techniques stockent et accumulent de l’information, dans ce que l’on appelle le faisceau, obtenu à partir d’évaluations successives de l’oracle à chaque pas d’essai insatisfaisant. Dans cette thèse, on propose de construire le faisceau en décalant vers le bas une tangente de l’objectif en un pas d’essai ne constituant pas un pas de descente satisfaisant. Le décalage est indispensable dans le cas non convexe pour préserver la consistance, on dit encore l’exactitude, du modèle vis à vis de l’objectif. L’algorithme développé est validé sur un problème de synthèse conjointe du pilote automatique et de la loi des commandes de vol d’un avion civil en un point de vol donné et sur un problème de synthèse de loi de commande par séquencement de gain pour le contrôle longitudinal dans une enveloppe de vol. / This thesis develops a non convex bundle method for the minimization of lower C1 locally Lipschitz functions which it then applies to the synthesis of structured control laws for problems arising in aerospace control. Here a structured control law refers to a control architecture preferred by practitioners, which consist of elements like PIDs, combined with various filters, featuring significantly less tunable parameters than a full-order controller. This type of problem can be formulated under the theoretical and general framework of non convex and non smooth programming. Among the efficient numerical techniques to solve such non smooth problems, we have in this work opted for bundle methods, suitably extended to address non-convex optimization programs. Bundle methods use oracles which at every iterate x return the function value and one unspecified Clarke subgradient. In order to generate descent steps away from a current serious iterate, these techniques hinge on storing and accumulating information, called the bundle, obtained from successive evaluations of the oracle along the unsuccessful trial steps. In this thesis, we propose to build the bundle by shifting down a tangent of the objective at a trial step which is not a satisfactory descent step. The shift is essential in the non convex case in order to preserve the consistency, named also the exactitude, of the model with regard to the objective. The developed algorithm is validated on a synthesis problem combining the automatic pilot and the flight control law of a civil aircraft at a given flying point ; and a gain scheduled control law synthesis for the longitudinal control in a flight envelope.

Dans le contexte de l'avion plus électrique, de nouveaux défis technologiques apparaissent dans le développement des systèmes embarqués afin d'augmenter leur puissance électrique. Une optimisation visant la sécurité, l'efficacité énergétique et une diminution du volume et de la masse est ainsi nécessaire. A cet effet, les dispositifs doivent être considérés dans leur ensemble et non par éléments séparés. Pour faciliter l'intégration des systèmes de puissance et assurer la qualité du réseau de bord avion, cette thèse propose de tenir compte de la mission de vol et d'étudier la CIO « Conception Intégrée Optimale » du système complet comprenant le filtre d'entrée et l’onduleur de tension alimentant l'actionneur synchrone à aimants permanents haute vitesse « HSPMSM ». L'application est dédiée au système de conditionnement d'air cabine « ECS – Environmental Conditioning Systems » comprenant le compresseur d'air étudié, d'une puissance nominale de 70 kW. La thèse est structurée en trois parties principales: le dimensionnement des composants de la chaîne de conversion électromécanique ; la conception locale et séquentielle de chacun des composants du système (boucle d'optimisation actionneur puis boucle d'optimisation « onduleur de tension + filtre d'entrée » ; la conception simultanée de tous les composants du système (boucle d'optimisation globale). Les fronts « Pareto-optimaux » des solutions obtenues à partir des méthodes de conception séquentielles et simultanées sont présentés, analysés et comparés. Les résultats mettent clairement en évidence l'avantage d'utiliser une boucle d'optimisation unique pour l'amélioration de la masse et de l'efficacité énergétique du système. / The concept of More Electric Aircraft (MEA) implies new challenges especially due to the increase of the electrical embedded power. By this way, necessary improvements in terms of safety, energy efficiency and weight reduction are required. For this reason, the design of devices should be more approached with a view to the whole system than as separated elements. In order to facilitate power system integration and to ensure power quality aboard, this dissertation proposes an Integrated Optimal Design (IOD) of the input filter and the inverter feeding the High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor (HSPMSM) by taking the flight mission into account. The Environmental Conditioning System (ECS) is equipped of the studied cabin air compressor with a rated power of 70 kW: a Multiobjective Genetic Algorithm (MOGA) is applied to achieve the CIO process. Considering the ECS as a whole, this thesis can be divided into three main parts: components sizing of the electromechanical conversion chain; local and sequential design of each system components (HSPMSM optimization loop followed by “voltage source inverter + input filter” optimization loop); simultaneous design of all system components (global optimization loop). Pareto-optimal solutions obtained from sequential and simultaneous design approaches are presented, analyzed and compared. Results clearly highlight the advantage of using a single optimization loop for the whole system in order to improve mass and efficiency.

Dans cette thèse , nous proposons d’étudier des questions sur le parallélism de tâcheavec dépendance de données dans le cadre de machines multicoeur avec des accélérateurs.La solution proposée a été développée en utilisant l’interface de programmation hauteniveau XKaapi du projet MOAIS de l’INRIA Rhône-Alpes.D’abord nous avons étudié des questions liés à une approche d’exécution totalementasyncrone et l’ordonnancement par vol de travail sur des architectures multi-GPU. Le volde travail avec localité de données a montré des résultats significatifs, mais il ne prend pasen compte des différents ressources de calcul. Ensuite nous avons conçu une interface etune modèle de coût qui permettent d’écrire des politiques d’ordonnancement sur XKaapi.Finalement on a évalué XKaapi sur un coprocesseur Intel Xeon Phi en mode natif.Notre conclusion est double. D’abord nous avons montré que le modèle de programma-tion data-flow peut être efficace sur des accélérateurs tels que des GPUs ou des coproces-seurs Intel Xeon Phi. Ensuite, le support à des différents politiques d’ordonnancement estindispensable. Les modèles de coût permettent d’obtenir de performance significatifs surdes calculs très réguliers, tandis que le vol de travail permet de redistribuer la charge encours d’exécution. / In this thesis, we propose to study the issues of task parallelism with data dependencies onmulticore architectures with accelerators. We target those architectures with the XKaapiruntime system developed by the MOAIS team (INRIA Rhône-Alpes).We first studied the issues on multi-GPU architectures for asynchronous execution andscheduling. Work stealing with heuristics showed significant performance results, but didnot consider the computing power of different resources. Next, we designed a schedulingframework and a performance model to support scheduling strategies over XKaapi runtime.Finally, we performed experimental evaluations over the Intel Xeon Phi coprocessor innative execution.Our conclusion is twofold. First we concluded that data-flow task programming canbe efficient on accelerators, which may be GPUs or Intel Xeon Phi coprocessors. Second,the runtime support of different scheduling strategies is essential. Cost models providesignificant performance results over very regular computations, while work stealing canreact to imbalances at runtime. / Esta tese investiga os desafios no uso de paralelismo de tarefas com dependências dedados em arquiteturas multi-CPU com aceleradores. Para tanto, o XKaapi, desenvolvidono grupo de pesquisa MOAIS (INRIA Rhône-Alpes), é a ferramenta de programação basedeste trabalho.Em um primeiro momento, este trabalho propôs extensões ao XKaapi a fim de sobre-por transferência de dados com execução através de operações concorrentes em GPU, emconjunto com escalonamento por roubo de tarefas em multi-GPU. Os resultados experimen-tais sugerem que o suporte a asincronismo é importante à escalabilidade e desempenho emmulti-GPU. Apesar da localidade de dados, o roubo de tarefas não pondera a capacidadede processamento das unidades de processamento disponíveis. Nós estudamos estratégiasde escalonamento com predição de desempenho em tempo de execução através de modelosde custo de execução. Desenvolveu-se um framework sobre o XKaapi de escalonamentoque proporciona a implementação de diferentes algoritmos de escalonamento. Esta tesetambém avaliou o XKaapi em coprocessodores Intel Xeon Phi para execução nativa.A conclusão desta tese é dupla. Primeiramente, nós concluímos que um modelo deprogramação com dependências de dados pode ser eficiente em aceleradores, tais comoGPUs e coprocessadores Intel Xeon Phi. Não obstante, uma ferramenta de programaçãocom suporte a diferentes estratégias de escalonamento é essencial. Modelos de custo podemser usados no contexto de algoritmos paralelos regulares, enquanto que o roubo de tarefaspoder reagir a desbalanceamentos em tempo de execução.

Pour agir de manière autonome et intelligente dans un environnement, un robot mobile doit disposer de cartes. Une carte contient les informations spatiales sur l’environnement. La géométrie 3D ainsi connue par le robot est utilisée non seulement pour éviter la collision avec des obstacles, mais aussi pour se localiser et pour planifier des déplacements. Les robots de prochaine génération ont besoin de davantage de capacités que de simples cartographies et d’une localisation pour coexister avec nous. La quintessence du robot humanoïde de service devra disposer de la capacité de voir comme les humains, de reconnaître, classer, interpréter la scène et exécuter les tâches de manière quasi-anthropomorphique. Par conséquent, augmenter les caractéristiques des cartes du robot à l’aide d’attributs sémiologiques à la façon des humains, afin de préciser les types de pièces, d’objets et leur aménagement spatial, est considéré comme un plus pour la robotique d’industrie et de services à venir. Une carte sémantique enrichit une carte générale avec les informations sur les entités, les fonctionnalités ou les événements qui sont situés dans l’espace. Quelques approches ont été proposées pour résoudre le problème de la cartographie sémantique en exploitant des scanners lasers ou des capteurs de temps de vol RGB-D, mais ce sujet est encore dans sa phase naissante. Dans cette thèse, une tentative de reconstruction sémantisée d’environnement d’intérieur en utilisant une caméra temps de vol qui ne délivre que des informations de profondeur est proposée. Les caméras temps de vol ont modifié le domaine de l’imagerie tridimensionnelle discrète. Elles ont dépassé les scanners traditionnels en termes de rapidité d’acquisition des données, de simplicité fonctionnement et de prix. Ces capteurs de profondeur sont destinés à occuper plus d’importance dans les futures applications robotiques. Après un bref aperçu des approches les plus récentes pour résoudre le sujet de la cartographie sémantique, en particulier en environnement intérieur. Ensuite, la calibration de la caméra a été étudiée ainsi que la nature de ses bruits. La suppression du bruit dans les données issues du capteur est menée. L’acquisition d’une collection d’images de points 3D en environnement intérieur a été réalisée. La séquence d’images ainsi acquise a alimenté un algorithme de SLAM pour reconstruire l’environnement visité. La performance du système SLAM est évaluée à partir des poses estimées en utilisant une nouvelle métrique qui est basée sur la prise en compte du contexte. L’extraction des surfaces planes est réalisée sur la carte reconstruite à partir des nuages de points en utilisant la transformation de Hough. Une interprétation sémantique de l’environnement reconstruit est réalisée. L’annotation de la scène avec informations sémantiques se déroule sur deux niveaux : l’un effectue la détection de grandes surfaces planes et procède ensuite en les classant en tant que porte, mur ou plafond; l’autre niveau de sémantisation opère au niveau des objets et traite de la reconnaissance des objets dans une scène donnée. A partir de l’élaboration d’une signature de forme invariante à la pose et en passant par une phase d’apprentissage exploitant cette signature, une interprétation de la scène contenant des objets connus et inconnus, en présence ou non d’occultations, est obtenue. Les jeux de données ont été mis à la disposition du public de la recherche universitaire. / Intelligent autonomous actions in an ordinary environment by a mobile robot require maps. A map holds the spatial information about the environment and gives the 3D geometry of the surrounding of the robot to not only avoid collision with complex obstacles, but also selflocalization and for task planning. However, in the future, service and personal robots will prevail and need arises for the robot to interact with the environment in addition to localize and navigate. This interaction demands the next generation robots to understand, interpret its environment and perform tasks in human-centric form. A simple map of the environment is far from being sufficient for the robots to co-exist and assist humans in the future. Human beings effortlessly make map and interact with environment, and it is trivial task for them. However, for robots these frivolous tasks are complex conundrums. Layering the semantic information on regular geometric maps is the leap that helps an ordinary mobile robot to be a more intelligent autonomous system. A semantic map augments a general map with the information about entities, i.e., objects, functionalities, or events, that are located in the space. The inclusion of semantics in the map enhances the robot’s spatial knowledge representation and improves its performance in managing complex tasks and human interaction. Many approaches have been proposed to address the semantic SLAM problem with laser scanners and RGB-D time-of-flight sensors, but it is still in its nascent phase. In this thesis, an endeavour to solve semantic SLAM using one of the time-of-flight sensors which gives only depth information is proposed. Time-of-flight cameras have dramatically changed the field of range imaging, and surpassed the traditional scanners in terms of rapid acquisition of data, simplicity and price. And it is believed that these depth sensors will be ubiquitous in future robotic applications. In this thesis, an endeavour to solve semantic SLAM using one of the time-of-flight sensors which gives only depth information is proposed. Starting with a brief motivation in the first chapter for semantic stance in normal maps, the state-of-the-art methods are discussed in the second chapter. Before using the camera for data acquisition, the noise characteristics of it has been studied meticulously, and properly calibrated. The novel noise filtering algorithm developed in the process, helps to get clean data for better scan matching and SLAM. The quality of the SLAM process is evaluated using a context-based similarity score metric, which has been specifically designed for the type of acquisition parameters and the data which have been used. Abstracting semantic layer on the reconstructed point cloud from SLAM has been done in two stages. In large-scale higher-level semantic interpretation, the prominent surfaces in the indoor environment are extracted and recognized, they include surfaces like walls, door, ceiling, clutter. However, in indoor single scene object-level semantic interpretation, a single 2.5D scene from the camera is parsed and the objects, surfaces are recognized. The object recognition is achieved using a novel shape signature based on probability distribution of 3D keypoints that are most stable and repeatable. The classification of prominent surfaces and single scene semantic interpretation is done using supervised machine learning and deep learning systems. To this end, the object dataset and SLAM data are also made publicly available for academic research.

Submitted by Bruna Rodrigues (bruna92rodrigues@yahoo.com.br) on 2016-09-15T20:31:27Z No. of bitstreams: 1 DissECA.pdf: 4704364 bytes, checksum: 1909457a146bdb29a74ad65130ca2bd9 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-16T19:58:59Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissECA.pdf: 4704364 bytes, checksum: 1909457a146bdb29a74ad65130ca2bd9 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-16T19:59:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissECA.pdf: 4704364 bytes, checksum: 1909457a146bdb29a74ad65130ca2bd9 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-16T19:59:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissECA.pdf: 4704364 bytes, checksum: 1909457a146bdb29a74ad65130ca2bd9 (MD5) Previous issue date: 2015-03-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coarse particulate matter with aerodynamic diameter smaller than 10μm (PM10) have long been considered as air pollutants associated with health issues. They penetrate into the upper respiratory tract, causing respiratory problems such as worsening of asthma. The aim of this study was to determine and quantify the distribution of chemical elements in the PM10 particulate matter present in the atmosphere of the city of Sao Carlos (Sao Paulo). Samples were collected daily for a period of 23h and 30 minutes, from April 16, 2014 to April 16, 2015. A high-volume sampler (AGV-PM10) with micro quartz and fiber glass filters were used. The filters were subjected to gravimetric analysis to obtain the mass of PM10 and were then analyzed by energy dispersive X-ray fluorescence and Laser Induced Breakdown Spectroscopy to identify and quantify the chemical composition of the samples. The highest average concentration during twelve-month period was 70.41μg/m³ (August, 2014) and the smallest was 22.59μg/m³ (January, 2015). The annual arithmetic average found for the twelve months period was 42.71μg/m³. If compared with annual arithmetic average limit of 40μg/m³, established by CETESB, the value is slightly above and below 50 μg/m³ (CONAMA). If we consider the limit established by the World Health Organization (WHO), which is 20μg/m³, this value is much higher than recommended. The chemicals elements found were characteristic of urban areas / O material particulado, cujo diâmetro aerodinâmico é menor do que 10μm vem sendo considerado como poluente atmosférico muito associado a questões de saúde, uma vez que são os que penetram em vias respiratórias, agravando problemas como o da asma, por exemplo. O objetivo deste trabalho foi avaliar os níveis de concentração de material particulado (MP10) e determinar a distribuição dos elementos químicos deste material particulado presente no ar atmosférico do centro da cidade de São Carlos (São Paulo). As amostras foram coletadas diariamente, por um período de 23h e 30 minutos, entre 16 de abril de 2014 a 16 de abril de 2015. Foi utilizado um amostrador de grandes volumes (AGV-MP10), submetendo os filtros, de fibra de vidro e de micro quartzo, à análise gravimétrica para obtenção de massa de MP10, Fluorescência de Raios-X de Energia Dispersiva de (EDX) e a Espectroscopia de ruptura induzida por laser (LIBS) para identificação e quantificação da composição química elementar das amostras. A maior concentração média do período de doze meses amostrado foi de 70,41μg/m³ em agosto/2014 e a menor de 22,59μg/m³ em janeiro/2015. A média aritmética anual encontrada para o período de doze meses foi de 42,71μg/m³. Se comparada com a média aritmética anual do limite estabelecido pela CETESB, de 40μg/m³, o valor está um pouco acima e um pouco abaixo de 50 μg/m³(CONAMA). Se for considerado o limite estabelecido pela Organização Mundial da Saúde (OMS), que é de 20 μg/m³, este valor encontra-se muito acima do recomendado. Os elementos químicos encontrados são característicos de áreas urbanas e apresentam resultados semelhantes a estudos anteriores na cidade.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:08:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HerculesLAS_DISSERT.pdf: 3304337 bytes, checksum: 041717a4cfd116130802eab3678923c7 (MD5) Previous issue date: 2011-01-31 / Among the potentially polluting economic activities that compromise the quality of groundwater are the gas stations. The city of Natal has about 120 gas stations, of which only has an environmental license for operation. Discontinuities in the offices were notified by the Public Ministry of Rio Grande do Norte to carry out the environmental adaptations, among which is the investigation of environmental liabilities. The preliminary and confirmatory stages of this investigation consisted in the evaluation of soil gas surveys with two confirmatory chemical analysis of BTEX, PAH and TPH. To get a good evaluation and interpretation of results obtained in the field, it became necessary three-dimensional representation of them. We used a CAD software to graph the equipment installed in a retail service station fuel in Natal, as well as the plumes of contamination by volatile organic compounds. The tool was concluded that contamination is not located in the current system of underground storage of fuel development, but reflects the historical past in which tanks were removed not tight gasoline and diesel / Dentre as atividades econ?micas potencialmente poluidoras que comprometem a qualidade das ?guas subterr?neas est?o os Postos Revendedores de Combust?veis. A cidade do Natal possui cerca de 120 postos de combust?veis, dos quais, apenas um possui licen?a ambiental de opera??o. Os postos em desconformidade foram notificados pelo Minist?rio P?blico do Rio Grande do Norte para realizarem as adequa??es ambientais, dentre as quais est? a investiga??o de passivo ambiental. As fases preliminar e confirmat?ria desta investiga??o consistiram na avalia??o de gases do solo com duas sondagens confirmat?rias para an?lises qu?micas de BTEX, HPA e TPH. Para obter-se uma boa avalia??o e interpreta??o dos resultados obtidos no campo, se fez necess?rio a representa??o tridimensional dos mesmos. Utilizou-se um software CAD para representar graficamente os equipamentos instalados em um posto revendedor de combust?vel em Natal/RN, assim como as plumas de contamina??o por compostos org?nicos vol?teis. A partir desta ferramenta foi poss?vel concluir que a contamina??o n?o est? localizada no atual Sistema de Armazenamento Subterr?neo de Combust?vel do empreendimento, mas reflete o hist?rico passado em que foram removidos tanques n?o estanques de gasolina e diesel

Ce travail de thèse porte sur le comportement en vol de drones légers à voilure fixe en présence de vent. Ces dispositifs aériens offrent une transition en douceur de la théorie à la pratique dans le domaine de la commande autonome. En outre, ils fournissent une solution appropriée dans des environnements inaccessibles ou dangereux pour les êtres humains. Cependant, ne pas avoir un pilote humain à bord implique que les UAV reposent sur l'automatisation pour naviguer ou pour éviter les obstacles. De plus, leur vitesse de fonctionnement relativement faible les rend particulièrement affectés par le vent. Motivé par ces considérations, les objectifs de ce travail de recherche visent des résultats théoriques et expérimentaux dans le domaine de la conception de contrôleurs de vol pour les petits drones à voilure fixe de configuration classique permettant le vol stable dans les conditions de vent. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs domaines de recherche sont abordés dans cette thèse comme il suit.Tout d'abord, une étude approfondie sur l'aspect aérodynamique de l'avion est menée afin d'obtenir le modèle mathématique du véhicule en présence de vent. En outre, des modèles qui reproduisent le comportement essentiel du système dans un contexte simplifié sont analysés. Par conséquent, des modèles non linéaires de complexité réduite, qui sont plus simples à analyser et simuler et plus adaptés à la conception de stratégies de contrôle, sont présentés. Deuxièmement, le problème à résoudre est formulé comme un problème de suivi de trajectoire dans lequel le dispositif de commande de vol doit être en mesure de diriger le véhicule le long d'un chemin. Des stratégies de navigation sont élaborées dans le but d'éliminer la déviation de l'avion par rapport à la trajectoire de référence. Le vent est considéré d'abord mesurable par une station au sol et, ensuite, estimé en utilisant une navigation adaptative basée sur la théorie de Lyapunov. La performance de l'algorithme d'estimation est améliorée en utilisant la stratégie de commande basée sur la méthode des fonctions de réglage. Le troisième axe de recherche est la conception et la mise en œuvre d'un dispositif expérimental qui se compose d'une station au sol utilisée pour la visualisation et la commande à distance du drone et d'un pilote automatique embarqué contenant la plate-forme de vol munie d'avionique appropriée. / This research work addresses the flight behavior of lightweight fixed-wing UAVs in windy conditions. Such aerial devices offer a smooth transition of autonomous flight control design from theory to practice in addition to providing a proper solution in environments inaccessible or dangerous to human beings. However, not having a human pilot onboard implies that UAVs rely on automation to navigate or to avoidobstacles. In addition, their relatively low operating speed makes them particularly affected by the wind field.Motivated by theses considerations, the objectives of the current research aim theoretical and experimental results in designing flight controllers for small fixed-wing UAVs of conventional configuration allowing for stable flight in windy conditions. In order to achieve these objectives, several research areas are being addresses in this thesis as it follows. First, a comprehensive study on the aerodynamic aspect of the aiplane in conducted in order to obtain the mathematical model of the aircraft in presence of wind. Further, models thet reproduce the essential behavior of the system in a simplified context are analyzed. consequently, nonlinear models of reduced complexity, that are easier to analyze and simulate and more adapted to the design of control strategies, are presented. Secondly, the problem to be solved is formulated as a trajectory following problem in which the flight controller must be able to steer the vehicle along a path. Navigation strategies are developed in order to minimize the airplane deviation relative to the reference trajectory. the wind is considered initially measurable by a ground station and, then, estimated using adaptative navigation based on the theory of Lyapunov. The performance of the estimation algorithm is improved using control design based on thr tuning functions method. The third axis of research is the design and the implementation of an experimental setup which consists of a ground station used for visualization and control purposes and an embedded autopilot architecture containing the airframe platform equipped with appropriate avionics.

Ce travail porte, de façon théorétique et pratique, sur les sujets plus pertinents autour des drones en navigation autonome et semi-autonome. Conformément à la nature multidisciplinaire des problèmes étudies, une grande diversité des techniques et théories ont été couverts dans les domaines de la robotique, l’automatique, l’informatique, la vision par ordinateur et les systèmes embarques, parmi outres.Dans le cadre de cette thèse, deux plates-formes expérimentales ont été développées afin de valider la théorie proposée pour la navigation autonome d’un drone. Le premier prototype, développé au laboratoire, est un quadrirotor spécialement conçu pour les applications extérieures. La deuxième plate-forme est composée d’un quadrirotor à bas coût du type AR.Drone fabrique par Parrot. Le véhicule est connecté sans fil à une station au sol équipé d’un système d’exploitation pour robots (ROS) et dédié à tester, d’une façon facile, rapide et sécurisé, les algorithmes de vision et les stratégies de commande proposés. Les premiers travaux développés ont été basés sur la fusion de donnés pour estimer la position du drone en utilisant des capteurs inertiels et le GPS. Deux stratégies ont été étudiées et appliquées, le Filtre de Kalman Etendu (EKF) et le filtre à Particules (PF). Les deux approches prennent en compte les mesures bruitées de la position de l’UAV, de sa vitesse et de son orientation. On a réalisé une validation numérique pour tester la performance des algorithmes. Une tâche dans le cahier de cette thèse a été de concevoir d’algorithmes de commande pour le suivi de trajectoires ou bien pour la télé-opération. Pour ce faire, on a proposé une loi de commande basée sur l’approche de Mode Glissants à deuxième ordre. Cette technique de commande permet de suivre au quadrirotor de trajectoires désirées et de réaliser l’évitement des collisions frontales si nécessaire. Etant donné que la plate-forme A.R.Drone est équipée d’un auto-pilote d’attitude, nous avons utilisé les angles désirés de roulis et de tangage comme entrées de commande. L’algorithme de commande proposé donne de la robustesse au système en boucle fermée. De plus, une nouvelle technique de vision monoculaire par ordinateur a été utilisée pour la localisation d’un drone. Les informations visuelles sont fusionnées avec les mesures inertielles du drone pour avoir une bonne estimation de sa position. Cette technique utilise l’algorithme PTAM (localisation parallèle et mapping), qui s’agit d’obtenir un nuage de points caractéristiques dans l’image par rapport à une scène qui servira comme repère. Cet algorithme n’utilise pas de cibles, de marqueurs ou de scènes bien définies. La contribution dans cette méthodologie a été de pouvoir utiliser le nuage de points disperse pour détecter possibles obstacles en face du véhicule. Avec cette information nous avons proposé un algorithme de commande pour réaliser l’évitement d’obstacles. Cette loi de commande utilise les champs de potentiel pour calculer une force de répulsion qui sera appliquée au drone. Des expériences en temps réel ont montré la bonne performance du système proposé. Les résultats antérieurs ont motivé la conception et développement d’un drone capable de réaliser en sécurité l’interaction avec les hommes et les suivre de façon autonome. Un classificateur en cascade du type Haar a été utilisé pour détecter le visage d’une personne. Une fois le visage est détecté, on utilise un filtre de Kalman (KF) pour améliorer la détection et un algorithme pour estimer la position relative du visage. Pour réguler la position du drone et la maintenir à une distance désirée du visage, on a utilisé une loi de commande linéaire. / The present document addresses, theoretically and experimentally, the most relevant topics for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in autonomous and semi-autonomous navigation. According with the multidisciplinary nature of the studied problems, a wide range of techniques and theories are covered in the fields of robotics, automatic control, computer science, computer vision and embedded systems, among others. As part of this thesis, two different experimental platforms were developed in order to explore and evaluate various theories and techniques of interest for autonomous navigation. The first prototype is a quadrotor specially designed for outdoor applications and was fully developed in our lab. The second testbed is composed by a non expensive commercial quadrotor kind AR. Drone, wireless connected to a ground station equipped with the Robot Operating System (ROS), and specially intended to test computer vision algorithms and automatic control strategies in an easy, fast and safe way. In addition, this work provides a study of data fusion techniques looking to enhance the UAVs pose estimation provided by commonly used sensors. Two strategies are evaluated in particular, an Extended Kalman Filter (EKF) and a Particle Filter (PF). Both estimators are adapted for the system under consideration, taking into account noisy measurements of the UAV position, velocity and orientation. Simulations show the performance of the developed algorithms while adding noise from real GPS (Global Positioning System) measurements. Safe and accurate navigation for either autonomous trajectory tracking or haptic teleoperation of quadrotors is presented as well. A second order Sliding Mode (2-SM) control algorithm is used to track trajectories while avoiding frontal collisions in autonomous flight. The time-scale separation of the translational and rotational dynamics allows us to design position controllers by giving desired references in the roll and pitch angles, which is suitable for quadrotors equipped with an internal attitude controller. The 2-SM control allows adding robustness to the closed-loop system. A Lyapunov based analysis probes the system stability. Vision algorithms are employed to estimate the pose of the vehicle using only a monocular SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) fused with inertial measurements. Distance to potential obstacles is detected and computed using the sparse depth map from the vision algorithm. For teleoperation tests, a haptic device is employed to feedback information to the pilot about possible collisions, by exerting opposite forces. The proposed strategies are successfully tested in real-time experiments, using a low-cost commercial quadrotor. Also, conception and development of a Micro Aerial Vehicle (MAV) able to safely interact with human users by following them autonomously, is achieved in the present work. Once a face is detected by means of a Haar cascade classifier, it is tracked applying a Kalman Filter (KF), and an estimation of the relative position with respect to the face is obtained at a high rate. A linear Proportional Derivative (PD) controller regulates the UAV’s position in order to keep a constant distance to the face, employing as well the extra available information from the embedded UAV’s sensors. Several experiments were carried out through different conditions, showing good performance even under disadvantageous scenarios like outdoor flight, being robust against illumination changes, wind perturbations, image noise and the presence of several faces on the same image. Finally, this thesis deals with the problem of implementing a safe and fast transportation system using an UAV kind quadrotor with a cable suspended load. The objective consists in transporting the load from one place to another, in a fast way and with minimum swing in the cable.