Multi-criteria optimization manipulator trajectory planning

In the last twenty years genetic algorithms (GAs) were applied in a plethora of fields such as: control, system identification, robotics, planning and scheduling, image processing, and pattern and speech recognition (Bäck et al., 1997). In robotics the problems of trajectory planning, collision avoidance and manipulator structure design considering a single criteria has been solved using several techniques (Alander, 2003). Most engineering applications require the optimization of several criteria simultaneously. Often the problems are complex, include discrete and continuous variables and there is no prior knowledge about the search space. These kind of problems are very more complex, since they consider multiple design criteria simultaneously within the optimization procedure. This is known as a multi-criteria (or multiobjective) optimization, that has been addressed successfully through GAs (Deb, 2001). The overall aim of multi-criteria evolutionary algorithms is to achieve a set of non-dominated optimal solutions known as Pareto front. At the end of the optimization procedure, instead of a single optimal (or near optimal) solution, the decision maker can select a solution from the Pareto front. Some of the key issues in multi-criteria GAs are: i) the number of objectives, ii) to obtain a Pareto front as wide as possible and iii) to achieve a Pareto front uniformly spread. Indeed, multi-objective techniques using GAs have been increasing in relevance as a research area. In 1989, Goldberg suggested the use of a GA to solve multi-objective problems and since then other researchers have been developing new methods, such as the multi-objective genetic algorithm (MOGA) (Fonseca & Fleming, 1995), the non-dominated sorted genetic algorithm (NSGA) (Deb, 2001), and the niched Pareto genetic algorithm (NPGA) (Horn et al., 1994), among several other variants (Coello, 1998). In this work the trajectory planning problem considers: i) robots with 2 and 3 degrees of freedom (dof ), ii) the inclusion of obstacles in the workspace and iii) up to five criteria that are used to qualify the evolving trajectory, namely the: joint traveling distance, joint velocity, end effector / Cartesian distance, end effector / Cartesian velocity and energy involved. These criteria are used to minimize the joint and end effector traveled distance, trajectory ripple and energy required by the manipulator to reach at destination point. Bearing this ideas in mind, the paper addresses the planning of robot trajectories, meaning the development of an algorithm to find a continuous motion that takes the manipulator from a given starting configuration up to a desired end position without colliding with any obstacle in the workspace. The chapter is organized as follows. Section 2 describes the trajectory planning and several approaches proposed in the literature. Section 3 formulates the problem, namely the representation adopted to solve the trajectory planning and the objectives considered in the optimization. Section 4 studies the algorithm convergence. Section 5 studies a 2R manipulator (i.e., a robot with two rotational joints/links) when the optimization trajectory considers two and five objectives. Sections 6 and 7 show the results for the 3R redundant manipulator with five goals and for other complementary experiments are described, respectively. Finally, section 8 draws the main conclusions.

Particle swarm optimization: dynamical analysis through fractional calculus

This chapter considers the particle swarm optimization algorithm as a system, whose dynamics is studied from the point of view of fractional calculus. In this study some initial swarm particles are randomly changed, for the system stimulation, and its response is compared with a non-perturbed reference response. The perturbation effect in the PSO evolution is observed in the perspective of the fitness time behaviour of the best particle. The dynamics is represented through the median of a sample of experiments, while adopting the Fourier analysis for describing the phenomena. The influence upon the global dynamics is also analyzed. Two main issues are reported: the PSO dynamics when the system is subjected to random perturbations, and its modelling with fractional order transfer functions.

Scheduling a cutting and treatment stainless steel sheet line with self-management capabilities

With advancement in computer science and information technology, computing systems are becoming increasingly more complex with an increasing number of heterogeneous components. They are thus becoming more difficult to monitor, manage, and maintain. This process has been well known as labor intensive and error prone. In addition, traditional approaches for system management are difficult to keep up with the rapidly changing environments. There is a need for automatic and efficient approaches to monitor and manage complex computing systems. In this paper, we propose an innovative framework for scheduling system management by combining Autonomic Computing (AC) paradigm, Multi-Agent Systems (MAS) and Nature Inspired Optimization Techniques (NIT). Additionally, we consider the resolution of realistic problems. The scheduling of a Cutting and Treatment Stainless Steel Sheet Line will be evaluated. Results show that proposed approach has advantages when compared with other scheduling systems

Optimal location of the workpiece in a PKM-based machining robotic cell

Most machining tasks require high accuracy and are carried out by dedicated machine-tools. On the other hand, traditional robots are flexible and easy to program, but they are rather inaccurate for certain tasks. Parallel kinematic robots could combine the accuracy and flexibility that are usually needed in machining operations. Achieving this goal requires proper design of the parallel robot. In this chapter, a multi-objective particle swarm optimization algorithm is used to optimize the structure of a parallel robot according to specific criteria. Afterwards, for a chosen optimal structure, the best location of the workpiece with respect to the robot, in a machining robotic cell, is analyzed based on the power consumed by the manipulator during the machining process.

Evolutionary trajectory optimization for redundant robots

The trajectory planning of redundant robots is an important area of research and efficient optimization algorithms have been investigated in the last years. This paper presents a new technique that combines the closed-loop pseudoinverse method with genetic algorithms. In this case the trajectory planning is formulated as an optimization problem with constraints.

Drilling process of composite laminates – a tool based analysis

“Drilling of polymeric matrix composites structures”

Taper angle optimization of scarf repairs in carbon-epoxy laminates

The increasing use of Carbon-Fibre Reinforced Plastic (CFRP) laminates in high responsibility applications introduces an issue regarding their handling after damage. The availability of efficient repair methods is essential to restore the strength of the structure. The availability of accurate predictive tools for the repairs behaviour is also essential for the reduction of costs and time associated to extensive tests. This work reports on a numerical study of the tensile behaviour of three-dimensional (3D) adhesively-bonded scarf repairs in CFRP structures, using a ductile adhesive. The Finite Element (FE) analysis was performed in ABAQUS® and Cohesive Zone Models (CZM’s) was used for the simulation of damage in the adhesive layer. A parametric study was performed on two geometric parameters. The use of overlaminating plies covering the repaired region at the outer or both repair surfaces was also tested as an attempt to increase the repairs efficiency. The results allowed the proposal of design principles for repairing CFRP structures.

Particle swarm optimization with fractional-order velocity

This paper proposes a novel method for controlling the convergence rate of a particle swarm optimization algorithm using fractional calculus (FC) concepts. The optimization is tested for several well-known functions and the relationship between the fractional order velocity and the convergence of the algorithm is observed. The FC demonstrates a potential for interpreting evolution of the algorithm and to control its convergence.

TRAILER – e-Portfolio for collecting and recognizing informal learning process and outcomes

Informal learning is becoming more and more important: Nowadays people learn more this way, through the Internet, than in schools or normal trainings. But they don’t get any certificateswhich attest this fact. So they can't show the employer or teacher etc. that they have learned something. TRAILER project aim is to solve this problem by developing a special tool for managing of all competences and skills acquired through informal learning experiences. Both from the perspective of the user and the perspective of an institution or a company. We’ll present the IT tool to show how people can make their informal learning outcomes visible. TRAILER helps users to gather all information about process and outcomes of their informal learning. Users can share this with friends, colleagues or their employees, teachers and so on. They can create an interactive e-portfolio which can be attached to their CV, cover letter or Knowledge Management system etc. After the presentation of the tool we will discuss possible areas and fields to use this tool. Also we would like to discuss all possible use of the tool by the participants and another needs in this area. Moreover we want to discuss other problems in informal learning process, ways to solve the problems and discuss other ideas of different IT tools which could help in informal learning process. During the discussion we’ll use an interactive respond system which can be used on mobile devices: it makes possible for participants to share their opinions individually before knowing another persons' opinion.

Particle swarm design of digital circuits

Swarm Intelligence (SI) is the property of a system whereby the collective behaviors of (unsophisticated) agents interacting locally with their environment cause coherent functional global patterns to emerge. Particle swarm optimization (PSO) is a form of SI, and a population-based search algorithm that is initialized with a population of random solutions, called particles. These particles are flying through hyperspace and have two essential reasoning capabilities: their memory of their own best position and knowledge of the swarm's best position. In a PSO scheme each particle flies through the search space with a velocity that is adjusted dynamically according with its historical behavior. Therefore, the particles have a tendency to fly towards the best search area along the search process. This work proposes a PSO based algorithm for logic circuit synthesis. The results show the statistical characteristics of this algorithm with respect to number of generations required to achieve the solutions. It is also presented a comparison with other two Evolutionary Algorithms, namely Genetic and Memetic Algorithms.

Modified particle swarm optimization for day-ahead distributed energy resources scheduling including vehicle-to-grid

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

Escalonamento de geradores térmicos com integração de produção eólica: uma abordagem baseada em programação inteira mista

A alta e crescente participação da energia eólica na matriz da produção traz grandes desafios aos operadores do sistema na gestão da rede e planeamento da produção. A incerteza associada à produção eólica condiciona os processos de escalonamento e despacho económico dos geradores térmicos, uma vez que a produção eólica efetiva pode ser muito diferente da produção prevista. O presente trabalho propõe duas metodologias de otimização do escalonamento de geradores térmicos baseadas em Programação Inteira Mista. Pretende-se encontrar soluções de escalonamento que minimizem as influências negativas da integração de energia eólica no sistema elétrico. Inicialmente o problema de escalonamento de geradores é formulado sem considerar a integração da energia eólica. Posteriormente foi considerada a penetração da energia eólica no sistema elétrico. No primeiro modelo proposto, o problema é formulado como um problema de otimização estocástico. Nesta formulação todos os cenários de produção eólica são levados em consideração no processo de otimização. No segundo modelo, o problema é formulado como um problema de otimização determinística. Nesta formulação, o escalonamento é feito para cada cenário de produção eólica e no fim determina-se a melhor solução por meio de indicadores de avaliação. Foram feitas simulações para diferentes níveis de reserva girante e os resultados obtidos mostraram que a alta participação da energia eólica na matriz da produção põe em causa a segurança e garantia de produção devido às características volátil e intermitente da produção eólica e para manter os mesmos níveis de segurança é preciso dispor no sistema de capacidade reserva girante suficiente capaz de compensar os erros de previsão.

Melhoria do processo produtivo

A dissertação descreve o levantamento e otimização do processo de fabrico de uma peça plástica para um automóvel. A otimização deste processo produtivo tem em vista a rentabilização de recursos humanos, a redução de custos associados e a redução de atividades ao longo do processo, tais como armazenamento de produto semiacabado, uma vez que este deixa de existir, a eliminação de fluxos logísticos e a eliminação do posto de montagem de componentes desta peça. A metodologia utilizada neste projeto centra-se na aplicação de ferramentas que permitem a análise e melhoria de processos produtivos, tais como o diagrama de processo, o diagrama spaghetti, o PDCA, a cronometragem dos tempos por tarefa e a aplicação de uma heurística para o balanceamento do futuro posto de trabalho da peça em estudo. O diagrama de processo, o diagrama de spaghetti e a cronometragem dos tempos por tarefas mostraram o estado atual do processo produtivo. Da análise do atual estado verifica-se que existe muito desperdício de mão-de-obra nas duas estações de trabalho, injeção e montagem. A eliminação do posto de trabalho exclusivo para montagem e junção dos processos de injeção e montagem no mesmo posto de trabalho, com a aplicação de uma heurística para balanceamento do novo posto de trabalho, demonstra que os ganhos são muito significativos. A aplicação do ciclo PDCA, na base da qual está a elaboração de um plano de ações, tornará esta mudança possível e bem-sucedida. A intenção deste projeto é demonstrar que o estado atual pode sempre ser melhorado se se usarem as ferramentas corretas para análise e proposta de melhorias que trarão ganhos à empresa a curto prazo. Usando esta sugestão, a empresa poderá dar início a um novo ciclo em que o espírito de melhoria esteja presente todos os dias em toda a organização.

Integração energética da unidade 2100 da Fábrica de Óleos Base da Refinaria de Matosinhos

Até 2020, a Europa terá de reduzir 20% das suas emissões de gases com efeito de estufa, 20% da produção de energia terá de ser proveniente de fontes renováveis e a eficiência energética deverá aumentar 20%. Estas são as metas apresentadas pela União Europeia, que ficaram conhecidas por 20/20/20 [1]. A Refinaria de Matosinhosé um complexo industrial que opera no sector da refinação e que apresenta preocupações ao nível da eficiência energética e dos aspectos ambientais subjacentes. No âmbito da racionalização energética das refinarias, a Galp Energia tem vindo a implementar um conjunto de medidas, adoptando as melhores tecnologias disponíveis com o objectivo de diminuir os consumos de energia, promover a eficiência energética e reduzir as emissões de dióxido de carbono. Para ir de encontro a estas medidas foi elaborado um estudo comparativo que permitiu à empresa definir as medidas consideradas prioritárias. Uma solução encontrada visa a execução de projectos que não requerem investimento e que têm acções imediatas, tais como o aumento da eficiência energética das fornalhas [1]. Este trabalho realizado na Galp Energia S.A. teve como objectivo principal a optimização energética da Unidade de Desalfatação do Propano da Fábrica de Óleos Base. Esta optimização baseou-se no aproveitamento energético da corrente de fundo da coluna de rectificação T2003C com uma potência calorífica de 2,79 Gcal/h. Após levantamento de todas as variáveis do processo relativas a esta unidade, especialmente a potência calorífica das correntes envolvidas chegou-se á conclusão que a fornalha H2101 poderá ser substituída por dois permutadores, reduzindo desta forma os consumos energéticos. Pois a corrente de fundo da coluna T2003 com uma potência calorífica 2,79 Gcal/h poderá permutar calor com a corrente da mistura asfalto com propano, fazendo com que esta atinja temperatura superior à obtida com a fornalha em funcionamento. A análise económica ao consumo e respectivo custo do fuelóleo na fornalha para o período de um ano foi realizada, sendo o seu custo de combustível de 611.396,00 €. O valor da aquisição dos permutadores é 86.355,97€, sendo rentável a alteração proposta neste projecto.

Simulação de um Pool Simétrico com validação técnica do despacho provisório e apresentação de medidas corretivas baseadas num despacho ótimo

Os mercados de energia elétrica são atualmente uma realidade um pouco por todo o mundo. Contudo, não é consensual o modelo regulatório a utilizar, o que origina a utilização de diferentes modelos nos diversos países que deram início ao processo de liberalização e de reestruturação do sector elétrico. A esses países, dado que a energia elétrica não é um bem armazenável, pelo menos em grandes quantidades, colocam-se questões importantes relacionadas com a gestão propriamente dita do seu sistema elétrico. Essas questões implicam a adoção de regras impostas pelo regulador que permitam ultrapassar essas questões. Este trabalho apresenta um estudo feito aos mercados de energia elétrica existentes um pouco por todo o mundo e que o autor considerou serem os mais importantes. Foi também feito um estudo de ferramentas de otimização essencialmente baseado em meta-heurísticas aplicadas a problemas relacionados com a operação dos mercados e com os sistemas elétricos de energia, como é o exemplo da resolução do problema do Despacho Económico. Foi desenvolvida uma aplicação que simula o funcionamento de um mercado que atua com o modelo Pool Simétrico, em que são transmitidas as ofertas de venda e compra de energia elétrica por parte dos produtores, por um lado, e dos comercializadores, consumidores elegíveis ou intermediários financeiros, por outro, analisando a viabilidade técnica do Despacho Provisório. A análise da viabilidade técnica do Despacho Provisório é verificada através do modelo DC de trânsito de potências. No caso da inviabilidade do Despacho Provisório, por violação de restrições afetas ao problema, são determinadas medidas corretivas a esse despacho, com base nas ofertas realizadas e recorrendo a um Despacho Ótimo. Para a determinação do Despacho Ótimo recorreu-se à meta-heurística Algoritmos Genéticos. A aplicação foi desenvolvida no software MATLAB utilizando a ferramenta Graphical User Interfaces. A rede de teste utilizada foi a rede de 14 barramentos do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). A aplicação mostra-se competente no que concerne à simulação de um mercado com tipo de funcionamento Pool Simétrico onde são efetuadas ofertas simples e onde as transações ocorrem no mercado diário, porém, não reflete o problema real relacionado a este tipo de mercados. Trata-se, portanto, de um simulador básico de um mercado de energia cujo modelo de funcionamento se baseia no tipo Pool Simétrico.