Aplicação de dispositivos analógicos reconfiguráveis

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Diagnóstico remoto de defeitos em cargas acopladas a um motor de indução

A variação do binário de uma carga acoplada ao motor de indução desencadeia uma série de fenómenos internos conducentes a um novo ponto de funcionamento. No caso de um dente partido numa roda dentada de um redutor de velocidade, quando acionada, este tipo de defeito produz um aumento de binário sempre que a zona de defeito é sujeita à ação de engrenamento. Assim, pode afirmar-se que este tipo de defeito produz uma interferência periódica com frequência igual à frequência de rotação da roda dentada que possui o dente partido. Neste artigo apresenta-se uma abordagem teórica dos fenómenos internos do motor de indução na presença de uma interferência periódica da carga mecânica revelando a presença de frequências caraterísticas na corrente absorvida. Uma metodologia de diagnóstico remoto, baseada nos parâmetros de alimentação de um motor, que possibilite monitorizar o funcionamento sem uso de sensores dedicados, tem necessariamente de se apoiar nas grandezas elétricas de alimentação da máquina que, direta ou indiretamente, fornecem informação que poderá ser analisada utilizando software de aquisição e processamento de sinal. Uma metodologia de diagnóstico remoto, baseada nos parâmetros de alimentação de um motor, que possibilite monitorizar o funcionamento sem uso de sensores dedicados, tem necessariamente de se apoiar nas grandezas elétricas de alimentação da máquina que, direta ou indiretamente, fornecem informação que poderá ser analisada utilizando software de aquisição e processamento de sinal. Uma metodologia de diagnóstico remoto, baseada nos parâmetros de alimentação de um motor, que possibilite monitorizar o funcionamento sem uso de sensores dedicados, tem necessariamente de se apoiar nas grandezas elétricas de alimentação da máquina que, direta ou indiretamente, fornecem informação que poderá ser analisada utilizando software de aquisição e processamento de sinal. Dado que a tensão de alimentação do motor é imposta pela rede, pode aceitar-se que esta não contém informação útil ao diagnóstico, embora o seu valor possa sofrer influência da variação da corrente absorvida pelo motor, através das quedas de tensão que esta produz. Considerando a tensão de alimentação trifásica equilibrada e constante, a corrente elétrica absorvida é, de facto, a única variável direta disponível para análise, mas o seu conhecimento permite determinar um conjunto de variáveis que podem fornecer indicações úteis sobre o estado de funcionamento do próprio motor e da carga associada.

Development of a system to monitor surfer’s balance and plantar pressure and surfboard’s movement

O uso da tecnologia tem crescido nas últimas décadas nas mais diversas áreas, seja na indústria ou no dia-a-dia, e é cada vez mais evidente os benefícios que traz. No desporto não é diferente. Cada dia surgem novos desenvolvimentos objetivando a melhoria do desempenho dos praticantes de atividades físicas, possibilitando atingir resultados nunca antes pensados. Além disto, a utilização da tecnologia no desporto permite a obtenção de dados biomecânicos que podem ser utilizados tanto no treinamento quando na melhoria da qualidade de vida dos atletas auxiliando na prevenção de lesões, por exemplo. Deste modo, o presente projeto se aplica na área do desporto, nomeadamente, na modalidade do surfe, onde a ausência de trabalhos científicos ainda é elevada, aliando a tecnologia eletrônica ao desporto para quantificar informações até então desconhecidas. Três fatores básicos de desempenho foram levantados, sendo eles: equilíbrio, posicionamento dos pés e movimentação da prancha de surfe. Estes fatores levaram ao desenvolvimento de um sistema capaz de medi-los dinamicamente através da medição das forças plantares e da rotação da prancha de surfe. Além da medição dos fatores, o sistema é capaz de armazenar os dados adquiridos localmente através de um cartão de memória, para posterior análise; e também enviá-los através de uma comunicação sem fio, permitindo a visualização do centro de pressões plantares; dos ângulos de rotação da prancha de surfe; e da ativação dos sensores; em tempo real. O dispositivo consiste em um sistema eletrônico embarcado composto por um microcontrolador ATMEGA1280; um circuito de aquisição e condicionamento de sinal analógico; uma central inercial; um módulo de comunicação sem fio RN131; e um conjunto de sensores de força Flexiforce. O firmware embarcado foi desenvolvido em linguagem C. O software Matlab foi utilizado para receção de dados e visualização em tempo real. Os testes realizados demostraram que o funcionamento do sistema atende aos requisitos propostos, fornecendo informação acerca do equilíbrio, através do centro de pressões; do posicionamento dos pés, através da distribuição das pressões plantares; e do movimento da prancha nos eixos pitch e roll, através da central inercial. O erro médio de medição de força verificado foi de -0.0012 ± 0.0064 N, enquanto a mínima distância alcançada na transmissão sem fios foi de 100 m. A potência medida do sistema foi de 330 mW.

Interface Humana Músculo-Facial

Esta dissertação tem como principal objetivo a criação de uma interface humana, baseada na eletromiografia dos músculos orbicular do olho e frontalis. O algoritmo de programação do microcontrolador ATmega2560 deteta o piscar de olhos voluntário, conta o número de vezes que este acontece e verifica se preenche os requisitos necessários à execução de um comando. Para este efeito foram utilizados elétrodos para a captação do sinal eletromiográfico. O sinal analógico é condicionado pela Shield ECG/EMG da Olimex sendo enviado para o arduíno ATmega2560. Este microcontrolador administra todos os atuadores, dos quais o mais importante é um painel de comandos (quatro comandos diferentes), no qual existe um ponteiro motorizado que indica qual a ação a realizar. O código de execução é extremamente simples:  se o utilizador piscar os olhos três vezes, o ponteiro movimenta-se para a secção do painel imediatamente à direita; e  se o utilizador piscar os olhos quatro vezes, o ponteiro movimenta-se para a secção do painel imediatamente à esquerda. Os testes realizados com este dispositivo indicam que os utilizadores demoram menos de 10 minutos a aprender a utilizar e executar todos os comandos do painel. Apenas num dos testes realizados o dispositivo não funcionou. Dos utilizadores que realizaram o teste:  vários usam óculos;  um idoso com graves problemas auditivos, cegueira parcial e dificuldades locomotoras;  nenhum foi incapaz de piscar, pelo menos, um dos olhos voluntariamente; e  a maioria referiu que, com alguma concentração e principalmente se ouvirem o bip sonoro, a aprendizagem de utilização torna-se muito fácil. Apesar dos limites impostos à concretização de um projeto deste tipo (dos quais se evidenciam as dificuldades em conseguir voluntários com paralisia medular, bem como os limites orçamentais), pode-se afirmar que este dispositivo é eficaz e seria uma mais valia quando implementado num cenário de paralisia medular (total ou parcial). A melhoria de qualidade de vida de um utilizador com estes problemas físicos, ou outros que lhe comprometam a locomoção é garantida. O cenário em que vivem é tremendamente limitado sendo urgente criar soluções para tornar estas vidas mais cómodas. Com os devidos aplicativos, o utilizador poderia abrir portas ou janelas, acender ou apagar luzes, pedir ajuda, ajustar a posição da cama, controlar cadeiras de rodas, entre outros. É neste sentido que surge a minha motivação de criar algo que ajude estas pessoas.

Sistema de teste de transístores bipolares de junção e de efeito de campo

O estudo das curvas características de um transístor permite conhecer um conjunto de parâmetros essenciais à sua utilização tanto no domínio da amplificação de sinais como em circuitos de comutação. Deste estudo é possível obter dados em condições que muitas vezes não constam na documentação fornecida pelos fabricantes. O trabalho que aqui se apresenta consiste no desenvolvimento de um sistema que permite de forma simples, eficiente e económica obter as curvas características de um transístor (bipolar de junção, efeito de campo de junção e efeito de campo de metal-óxido semicondutor), podendo ainda ser utilizado como instrumento pedagógico na introdução ao estudo dos dispositivos semicondutores ou no projecto de amplificadores transistorizados. O sistema é constituído por uma unidade de condicionamento de sinal, uma unidade de processamento de dados (hardware) e por um programa informático que permite o processamento gráfico dos dados obtidos, isto é, traçar as curvas características do transístor. O seu princípio de funcionamento consiste na utilização de um conversor Digital-Analógico (DAC) como fonte de tensão variável, alimentando a base (TBJ) ou a porta (JFET e MOSFET) do dispositivo a testar. Um segundo conversor fornece a variação da tensão VCE ou VDS necessária à obtenção de cada uma das curvas. O controlo do processo é garantido por uma unidade de processamento local, baseada num microcontrolador da família 8051, responsável pela leitura dos valores em corrente e em tensão recorrendo a conversores Analógico-Digital (ADC). Depois de processados, os dados são transmitidos através de uma ligação USB para um computador no qual um programa procede à representação gráfica, das curvas características de saída e à determinação de outros parâmetros característicos do dispositivo semicondutor em teste. A utilização de componentes convencionais e a simplicidade construtiva do projecto tornam este sistema económico, de fácil utilização e flexível, pois permite com pequenas alterações

Projecto e implementação de osciloscópio digital baseado na norma IEEE1451.0

Os osciloscópios digitais são utilizados em diversas áreas do conhecimento, assumindo-se no âmbito da engenharia electrónica, como instrumentos indispensáveis. Graças ao advento das Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), os instrumentos de medição reconfiguráveis, dadas as suas vantagens, i.e., altos desempenhos, baixos custos e elevada flexibilidade, são cada vez mais uma alternativa aos instrumentos tradicionalmente usados nos laboratórios. Tendo como objectivo a normalização no acesso e no controlo deste tipo de instrumentos, esta tese descreve o projecto e implementação de um osciloscópio digital reconfigurável baseado na norma IEEE 1451.0. Definido de acordo com uma arquitectura baseada nesta norma, as características do osciloscópio são descritas numa estrutura de dados denominada Transducer Electronic Data Sheet (TEDS), e o seu controlo é efectuado utilizando um conjunto de comandos normalizados. O osciloscópio implementa um conjunto de características e funcionalidades básicas, todas verificadas experimentalmente. Destas, destaca-se uma largura de banda de 575kHz, um intervalo de medição de 0.4V a 2.9V, a possibilidade de se definir um conjunto de escalas horizontais, o nível e declive de sincronismo e o modo de acoplamento com o circuito sob análise. Arquitecturalmente, o osciloscópio é constituído por um módulo especificado com a linguagem de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language) Verilog e por uma interface desenvolvida na linguagem de programação Java®. O módulo é embutido numa FPGA, definindo todo o processamento do osciloscópio. A interface permite o seu controlo e a representação do sinal medido. Durante o projecto foi utilizado um conversor Analógico/Digital (A/D) com uma frequência máxima de amostragem de 1.5MHz e 14 bits de resolução que, devido às suas limitações, obrigaram à implementação de um sistema de interpolação multi-estágio com filtros digitais.

Processamento de imagem para determinação de distribuições granulométricas de gotas numa suspensão

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Sistema de localização de um veículo autónomo terrestre

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.

ECG denoising based on adaptive signal processing technique

An Electrocardiogram (ECG) monitoring system deals with several challenges related with noise sources. The main goal of this text was the study of Adaptive Signal Processing Algorithms for ECG noise reduction when applied to real signals. This document presents an adaptive ltering technique based on Least Mean Square (LMS) algorithm to remove the artefacts caused by electromyography (EMG) and power line noise into ECG signal. For this experiments it was used real noise signals, mainly to observe the di erence between real noise and simulated noise sources. It was obtained very good results due to the ability of noise removing that can be reached with this technique. A recolha de sinais electrocardiogr a cos (ECG) sofre de diversos problemas relacionados com ru dos. O objectivo deste trabalho foi o estudo de algoritmos adaptativos para processamento digital de sinal, para redu c~ao de ru do em sinais ECG reais. Este texto apresenta uma t ecnica de redu c~ao de ru do baseada no algoritmo Least Mean Square (LMS) para remo c~ao de ru dos causados quer pela actividade muscular (EMG) quer por ru dos causados pela rede de energia el ectrica. Para as experiencias foram utilizados ru dos reais, principalmente para aferir a diferen ca de performance do algoritmo entre os sinais reais e os simulados. Foram conseguidos bons resultados, essencialmente devido as excelentes caracter sticas que esta t ecnica tem para remover ru dos.

Desenvolvimento e validação de um sistema de recolha de sinal eletromiográfico baseado em placa de aquisição

A eletromiografia é, hoje em dia, uma das técnicas mais utilizadas no estudo dos músculos, estando presente em áreas como a medicina, a biomecânica e a fisiologia, possibilitando o desenvolvimento científico e contribuindo para proporcionar melhorias na qualidade da vida humana. Sendo assim, este trabalho apresenta um protótipo de um aparelho de aquisição de sinais eletromiográficos, explicando também toda a teoria, técnicas, componentes utilizadas e softwares que estiveram presentes na sua implementação. De uma forma sucinta, para a aquisição do sinal eletromiográfico usou-se uma placa de aquisição NI-USB 6009 e para a visualização do mesmo recorreu-se ao software LabVIEW. Para validar o sinal adquirido com o equipamento desenvolvido, utilizou-se um outro equipamento, o Biopac MP36 Student Lab System, fazendo-se assim recolhas de sinais eletromiográficos com ambos os equipamentos. Os sinais recolhidos pelos dois equipamentos foram analisados no software Acknowledge 3.9.0 (Biopac Systems, Inc.), podendo observar-se os espetros de frequência correspondentes a cada sinal e retirar valores para posterior análise estatística. Feita essa análise, concluiu-se que não foram detetadas diferenças significativas entre os sinais eletromiográficos recolhidos com ambos os equipamentos, validando-se assim, o equipamento desenvolvido.

Novos artigos e sistemas no processamento do couro

A necessidade de diminuir os consumos de energia, não só por questões financeiras mas também por questões ambientais, faz com que sejam feitos esforços no sentido da implementação de energias renováveis bem como da melhoria e expansão das soluções técnicas já conhecidas. Uma das maiores fontes de energia renovável, senão mesmo a maior, é a energia solar que, no futuro, terá uma contribuição muito significativa, quer na satisfação dos consumos energéticos, quer na racionalização da sua utilização, isto é, na melhoria da eficiência do consumo. O presente trabalho focou-se na procura de um sistema solar térmico para o pré-aquecimento da água quente a ser utilizada numa fábrica de curtumes, a empresa Curtumes Aveneda, Lda. Em simultâneo, desenvolveram-se e optimizaram-se processos de produtos específicos que o mercado exige actualmente, visando uma economia de recursos (matérias-primas, água e energia), objectivando sempre a sua viabilidade económica. No que respeita à procura do sistema solar térmico, inicialmente foram realizados levantamentos relativos ao consumo de água, quente e fria, na respectiva empresa. Esta avaliação focou-se em todos os sectores consumidores intensivos de água, tais como a ribeira, curtume e a tinturaria, excluindo o sector de acabamento uma vez que o consumo aqui é insignificante relativamente aos sectores citados anteriormente. Com base no levantamento efectuado foi dimensionado um sistema solar térmico para o pré aquecimento da água quente que conduz a uma economia anual de 107.808,3 kWh de energia térmica, representativa de 29% do consumo anual de energia térmica de aquecimento de água. Foi efectuada análise económica deste investimento que mostrou um índice de rentabilidade superior à unidade e um tempo de retorno do investimento de 9 anos. Desenvolveu-se com sucesso um produto de couro a partir de wet-blue, designado por crispado, produto normalmente produzido a partir da pele em tripa e muito difícil de obter a partir de wet-blue. Este produto caracteriza-se pela sua forma granular irregular e firme da pele. O processo desenvolvido foi ainda optimizado no sentido da redução do consumo de água e de energia. Tendo em conta a necessidade da empresa também se tentou melhorar as características do couro wet-white, muito solicitado actualmente, com resultados positivos no que respeita à temperatura de contracção do couro e às propriedades físico-mecânicas mas sem se atingir o principal objectivo que seria tornar a cor mais clara e mais pura. Foram desta forma dados contributos importantes para a empresa que, assim, dimensionou um sistema mais económico para o aquecimento de água que vai adoptar e ficou com um processo disponível para produzir um produto até então não conseguido.

Utilização de algoritmos de processamento e análise de imagem na avaliação do dano em placas compósitas

PTDC/EME–TME/66207/2006 e POSC/EEA-SRI/55386/2004

Projeto e implementação de um pré-regulador de fator de potência com controlo digital

Hoje em dia as fontes de alimentação possuem correção do fator de potência, devido às diversas normas regulamentares existentes, que introduziram grandes restrições no que respeita à distorção harmónica (THD) e fator de potência (FP). Este trabalho trata da análise, desenvolvimento e implementação de um Pré-Regulador de fator de potência com controlo digital. O controlo digital de conversores com recurso a processamento digital de sinal tem vindo a ser ao longo dos últimos anos, objeto de investigação e desenvolvimento, estando constantemente a surgirem modificações nas topologias existentes. Esta dissertação tem como objetivo estudar e implementar um Pré-Regulador Retificador Boost e o respetivo controlo digital. O controlo do conversor é feito através da técnica dos valores médios instantâneos da corrente de entrada, desenvolvido através da linguagem de descrição de hardware VHDL (VHSIC HDL – Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) e implementado num dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array) Spartan-3E. Neste trabalho são apresentadas análises matemáticas, para a obtenção das funções de transferência pertinentes ao projeto dos controladores. Para efetuar este controlo é necessário adquirir os sinais da corrente de entrada, tensão de entrada e tensão de saída. O sinal resultante do módulo de controlo é um sinal de PWM com valor de fator de ciclo variável ao longo do tempo. O projeto é simulado e validado através da plataforma MatLab/Simulink e PSIM, onde são apresentados resultados para o regime permanente e para transitórios da carga e da tensão de alimentação. Finalmente, o Pré-Regulador Retificador Boost controlado de forma digital é implementado em laboratório. Os resultados experimentais são apresentados para validar a metodologia e o projeto desenvolvidos.

Implementação de um Array de detetores de radiação ionizante

Atualmente, as radiações ionizantes desempenham um papel fundamental nas áreas de diagnóstico e terapia, estando omnipresentes em ambientes hospitalares. Contudo, devido aos efeitos biológicos adversos da radiação, torna-se essencial a protecção dos profissionais de saúde e pacientes. Consequentemente, um array de detetores capazes de produzir um sinal acústico, aquando da presença de radiação ionizante excedendo determinados valores limite e transmissão via wireless das leituras para um sistema central _e de grande interesse prático. Nesta dissertação, foi implementado um sistema capaz de alimentar um array de sensores de radiação para monitorização de diferentes espaços e transmissão das leituras efetuadas via wireless. A aquisição de dados foi realizada, recorrendo à utilização de um conversor analógico-digital. Vários testes de validação foram realizados, através de vários passos para alcançar a concretização do sistema final, nomeadamente testes relativos ao circuito de detecção, módulos de comunicação wireless, bem como o uso de diferentes ambientes de desenvolvimento integrados (IDE). Os resultados destes testes mostram a visualização e gravação adequadas dos dados relativos aos níveis de radiação, bem como a transmissão de dados de forma viável, permitindo a monitorização de espaços sujeitos à presença de radiação ionizante. Desta forma, um array de contadores Geiger-Müller, ligados a módulos wireless XBee open-source e uma placa Arduino, possibilitou a implementação de um sistema viável e de baixo custo para monitorização de radiação ionizante e registar esses mesmos dados para posterior análise.

Construção de um variador de frequência

A dificuldade de controlo de um motor de indução, bem como o armazenamento de energia CC e posterior utilização como energia alternada promoveram o desenvolvimento de variadores de frequência e inversores. Assim, como projeto de tese de mestrado em Automação e Sistemas surge o desenvolvimento de um variador de frequência. Para elaboração do variador de frequência efetuou-se um estudo sobre as técnicas de modulação utilizadas nos inversores. A técnica escolhida e utilizada é a Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Esta técnica baseia-se na modelação por largura de impulso (PWM), o qual é formado por comparação de um sinal de referência com um sinal de portadora de elevada frequência. Por sua vez, a topologia escolhida para o inversor corresponde a um Voltage Source Inverter (VSI) de ponte trifásica completa a três terminais. O desenvolvimento da técnica de modulação SPWM levou ao desenvolvimento de um modelo de simulação em SIMULINK, o qual permitiu retirar conclusões sobre os resultados obtidos. Na fase de implementação, foram desenvolvidas placas para o funcionamento do variador de frequência. Assim, numa fase inicial foi desenvolvida a placa de controlo, a qual contém a unidade de processamento e que é responsável pela atuação de Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs). Para além disso, foi desenvolvida uma placa para proteção dos IGBTs (evitando condução simultânea no mesmo terminal) e uma placa de fontes isoladas para alimentação dos circuitos e para atuação dos IGBTs. Ainda, foi desenvolvida a técnica de SPWM em software para a unidade de controlo e finalmente foi desenvolvida uma interface gráfica para interação com o utilizador. A validação do projeto foi conseguida através da variação da velocidade do motor de indução trifásico. Para isso, este foi colocado a funcionar a diversas frequências de funcionamento e a diferentes amplitudes. Para além disso, o seu funcionamento foi também validado utilizando uma carga trifásica equilibrada de 3 lâmpadas de forma a ser visualizada a variação de frequência e variação de amplitude.