Distributed active traction control system applied to the RoboCup middle size league

This work addresses the problem of traction control in mobile wheeled robots in the particular case of the RoboCup Middle Size League (MSL). The slip control problem is formulated using simple friction models for ISePorto Team robots with a differential wheel configuration. Traction was also characterized experimentally in the MSL scenario for relevant game events. This work proposes a hierarchical traction control architecture which relies in local slip detection and control at each wheel, with relevant information being relayed to a higher level responsible for global robot motion control. A dedicated one axis control embedded hardware subsystem allowing complex local control, high frequency current sensing and odometric information procession was developed. This local axis control board is integrated in a distributed system using CAN bus communications. The slipping observer was implemented in the axis control hardware nodes integrated in the ISePorto robots and was used to control and detect loss of for traction. %and to detect the ball in the kicking device. An external vision system was used to perform a qualitative analysis of the slip detection and observer performance results are presented.

Estudo e análise do impacto do sistema de alimentação de tração elétrica (1x25kV - rede convencional, 2x25kV - rede convencional + alta velocidade) na rede de transmissão

A rede de transporte ferroviária é um meio de transporte seguro, rápido e bastante utilizado pela população. Este facto fez com que os sistemas elétricos de tração tivessem uma grande evolução ao longo dos últimos anos nomeadamente, ao nível da alta velocidade. Por essa razão, é pertinente uma análise cuidada do impacto destes sistemas na rede de transporte. Neste trabalho é efetuado um pequeno resumo sobre os sistemas elétricos de tração desde as subestações até à alimentação das locomotivas. Aborda-se também a rede de transporte que se encontra a montante do sistema de tração que sofre perturbações provocadas pelos sistemas de tração. Por último realizou-se uma análise do impacto do sistema de tração na rede de transporte recorrendo à simulação no MATLABTM/Simulink. Analisou-se um conjunto de grandezas elétricas para diversos cenários, considerando a alimentação da catenária a 1x25 kV e 2x25 kV.

Automatização dum carrinho de compras

Olhando para a necessidade de auxiliar o movimento dos carrinhos de compras nas grandes superfícies, surgiu a ideia de desenvolver um sistema de accionamento flexível, que pudesse ser adaptado a diferentes tipos de carrinhos. O sistema deveria ser também de baixo custo e ter potencial de industrialização. Como em qualquer sistema de accionamento eléctrico foi necessário dimensionar e seleccionar um controlador e um motor, no entanto, dados os requisitos relativos à adaptabilidade do sistema foi necessário um esforço significativo para o desenvolvimento dos componentes mecânicos de tracção e transmissão. Considerando os requisitos de portabilidade foi também desenvolvido um sistema de alimentação a partir de baterias e feito um estudo preliminar relativo ao sistema de carregamento de baterias a ser instalado nos locais de utilização. Após a concepção, foi construído um protótipo que depois foi instalado num carrinho de compras. Os testes realizados demonstraram a viabilidade do sistema, quer pelo auxílio que podem dar aos utilizadores, quer pela flexibilidade e potencial de comercialização.

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Abordagem prática para execução de taludes em obras rodoviárias com recurso a pré‐corte

Este trabalho é realizado no domínio das obras de engenharia, área onde o desmonte de rocha com recurso a explosivos em obras rodoviárias é uma actividade específica e consistiu no acompanhamento e execução de três obras rodoviárias de média e grande dimensão. A necessidade de executar escavações, recorrendo a técnicas de desmonte cuidadoso de contorno, onde o plano de corte do talude final deve obedecer a requisitos de localização, alinhamento, inclinação, estabilidade e também estéticos, acrescendo a isto a necessidade de optimizar os meios envolvidos, obriga a que esta actividade seja encarada de uma forma sistematizada, visando o racional aproveitamento de recursos. A execução desta actividade requer conhecimentos no domínio das técnicas de desmonte de contorno, dos explosivos, do mecanismo de rotura de rochas, da operação de perfuração e da geomecânica dos maciços. A abordagem deste trabalho incide sobre a técnica denominada de pré‐corte e tem como objectivo encontrar uma equação característica que permita relacionar diferentes parâmetros envolvidos nesta actividade. Este objectivo é alcançado recorrendo à correlação entre equações relativas à pressão de detonação, à pressão no furo e ao espaçamento entre furos consecutivos, desenvolvidas por outros autores. Desta forma obteve‐se uma equação que relaciona parâmetros relativos ao maciço rochoso (resistência à tracção), ao explosivo (velocidade de detonação e densidade) e ao diagrama de fogo (concentração de carga – volume de explosivo e comprimento do furo – volume do furo). A comparação entre os valores destes parâmetros obtidos na produção e os obtidos com recurso à equação característica permite concluir que a sua aplicação para execução de futuras obras possibilita uma optimização dos meios envolvidos.

Feasibility of the extended finite element method for the simulation of composite bonded joints

Adhesive-bonding for the unions in multi-component structures is gaining momentum over welding, riveting and fastening. It is vital for the design of bonded structures the availability of accurate damage models, to minimize design costs and time to market. Cohesive Zone Models (CZM’s) have been used for fracture prediction in structures. The eXtended Finite Element Method (XFEM) is a recent improvement of the Finite Element Method (FEM) that relies on traction-separation laws similar to those of CZM’s but it allows the growth of discontinuities within bulk solids along an arbitrary path, by enriching degrees of freedom. This work proposes and validates a damage law to model crack propagation in a thin layer of a structural epoxy adhesive using the XFEM. The fracture toughness in pure mode I (GIc) and tensile cohesive strength (sn0) were defined by Double-Cantilever Beam (DCB) and bulk tensile tests, respectively, which permitted to build the damage law. The XFEM simulations of the DCB tests accurately matched the experimental load-displacement (P-d) curves, which validated the analysis procedure.

Desenvolvimento de ferramentas e provetes para o ensaio Thick Adherend Shear Test (TAST).

As estruturas coladas são geralmente projetadas para que o adesivo seja essencialmente sujeito a esforços de corte, pois neste tipo de solicitação o adesivo apresenta melhores caraterísticas mecânicas. A avaliação do comportamento ao corte pode ser realizada com o adesivo no estado maciço ou como camada fina em juntas adesivas. Os métodos que permitem avaliar o comportamento ao corte, quer para o adesivo, quer para as juntas, são: o ensaio Iosipescu ou V-Notched beam shear method, o ensaio de borboleta ou Notched plate shear method (Arcan), o ensaio de torsão, o ensaio de tração numa junta de sobreposição simples e o ensaio Thick Adherend Shear Test (TAST). Os ensaios Arcan e Iosipescu, tal como o ensaio de torção, podem ser realizados em provetes de adesivo maciço ou em juntas. O ensaio de torção é pouco utilizado, porque a aplicação do esforço de corte exige dispositivos e equipamentos de ensaios complexos. Os ensaios Arcan e Iosipescu utilizam provetes com entalhes e podem introduzir alguma dificuldade na medição precisa das deformações. O ensaio de tração numa junta de sobreposição simples é um dos métodos mais usados para caraterizar uma junta adesiva, porque é um método simples, as juntas são de fácil fabrico e pode ser realizado em máquinas universais de ensaios mecânicos. Neste ensaio os aderentes estão sujeitos a uma solicitação de tração, enquanto a camada de adesivo está sujeita a esforços de corte combinados com esforços de arrancamento. Os esforços de arrancamento resultam da própria geometria da junta na qual existe um desalinhamento das forças de tração, mesmo quando são colocados calços (reguladores de espessura) nos locais de amarração. O ensaio TAST é dos mais populares para obtenção das propriedades ao corte, uma vez que tanto as ferramentas de ensaio como o fabrico dos provetes são relativamente simples. Este ensaio é realizado em junta sendo os substratos espessos e de aço que, devido à sua elevada rigidez, contribuem para um esforço de corte praticamente puro no adesivo. Neste trabalho realizou-se o projeto e a fabricação das ferramentas, gabarit e substratos necessários para a execução de provetes TAST e ensaios utilizando diferentes adesivos.

Utilização de métodos ópticos de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fractura de adesivos estruturais

Mestrado em Engenharia Mecânica

Melhoria da eficiência energética nos ascensores: a recuperação de energia

A presente tese descreve diferentes soluções que permitem a reutilização da energia recuperada em ascensores eléctricos de roda de aderência dotados de conversores electrónicos de frequência e dessa forma contribuir para a melhoria da eficiência energética nos ascensores. Nos ascensores, a energia potencial é constantemente transferida enquanto a cabina está em movimento. Se a cabina se estiver a movimentar em sentido descendente com plena carga, ou em sentido ascendente, mas vazia, o motor estará em modo gerador. Quando a cabina se movimenta em sentido descendente, e o peso na cabina é superior ao peso do contrapeso, então o binário do motor encontra-se em sentido contrário à velocidade, isto é, o motor está a travar, havendo lugar à recuperação de energia. Igualmente, se a cabina subir vazia, também se poderá recuperar energia eléctrica. A energia acumulada em forma de energia potencial nas pessoas e no contrapeso pode ser recuperada, dado que o motor estará a funcionar como um gerador. De modo a estudar a viabilidade técnica e económica das diferentes soluções foram realizadas medições a uma amostra representativa de ascensores eléctricos de roda de aderência. Esta amostra é constituída por 39 ascensores que estão instalados em diferentes tipos de edifícios e que pertencem a diferentes categorias de utilização, de acordo com a norma VDI 4707:2009. Para cada ascensor foi medida a energia consumida e a energia gerada para uma manobra completa – a descida e a subida da cabina sem carga. A partir das medições, e com base na norma VDI 4707:2009 foram calculados os valores anualizados de energia eléctrica consumidos e produzidos por cada ascensor. A partir das 5 hipóteses identificadas para a utilização da energia recuperada (carregamento de bateria para alimentação dos circuitos em stand-by; carregamento de supercondensador para alimentação dos circuitos em stand-by; carregamento de supercondensador para alimentar o barramento DC; reinjecção da energia no barramento DC de um conjunto de ascensores em grupo; reinjecção da energia na rede eléctrica do edifício onde o ascensor está instalado) foi realizada a avaliação técnica e a avaliação económico-financeira para cada um dos ascensores. Por último, foi desenvolvido um simulador que permite definir a solução de recuperação de energia que seja técnica e economicamente mais viável, para um dado ascensor eléctrico de roda de aderência instalado, mediante a introdução dos parâmetros técnicos do ascensor em avaliação.

Análise ao Sistema de Alimentação de Tração Elétrica (1x25 kV - Rede convencional, 2x25 kV –Rede convencional + Alta velocidade)

O transporte ferroviário é um meio de transporte em que o meio de deslocamento ocorre por meio de vias férreas, transportando, entre outros, pessoas e cargas. Este meio de transporte é um dos mais antigos e a sua origem está ligada directamente com a Primeira Revolução Industrial, acontecimento histórico que sucedeu na Europa no final do século XVIII e início do século XIX. Uma rede ferroviária é um sistema único no ponto de vista do uso de tração elétrica assim como no modo que se insere na sociedade por ser um meio de transporte seguro, rápido e bastante utilizado pela população. As redes de alimentação de energia (transporte e distribuição) e a rede de alta velocidade ditaram novas soluções para a alimentação elétrica ferroviária contribuindo para a sua evolução técnica, na segurança e também na compatibilidade eletromagnética no sentido de se estabelecerem critérios de controlo e prevenção dos efeitos indesejáveis provocados pela interferência magnética. O presente trabalho tem por objetivo analisar e estudar tecnicamente como se comportam as redes que alimentam os veículos de tração elétrica desde as subestações até à alimentação das locomotivas. Dada a complexidade da sua análise torna-se necessário o recurso a ferramentas de simulação mais ou menos complexas. No presente trabalho recorreu-se ao MATLABTM, nomeadamente, ao MATLABTM/Simulink. Foram analisadas as principais grandezas elétricas em cenários distintos para os sistemas de alimentação da catenária de 1x25 kV e 2x25 kV.

Adhesive thickness effects of a ductile adhesive by optical measurement techniques

Adhesive bonding is an excellent alternative to traditional joining techniques such as welding, mechanical fastening or riveting. However, there are many factors that have to be accounted for during joint design to accurately predict the joint strength. One of these is the adhesive layer thickness (tA). Most of the results are for epoxy structural adhesives, tailored to perform best with small values of tA, and these show that the lap joint strength decreases with increase of tA (the optimum joint strength is usually obtained with tA values between 0.1 and 0.2 mm). Recently, polyurethane adhesives were made available in the market, designed to perform with larger tA values, and whose fracture behaviour is still not studied. In this work, the effect of tA on the tensile fracture toughness (View the MathML source) of a bonded joint is studied, considering a novel high strength and ductile polyurethane adhesive for the automotive industry. This work consists on the fracture characterization of the bond by a conventional and the J-integral techniques, which accurately account for root rotation effects. An optical measurement method is used for the evaluation of crack tip opening (δn) and adherends rotation at the crack tip (θo) during the test, supported by a Matlab® sub-routine for the automated extraction of these parameters. As output of this work, fracture data is provided in traction for the selected adhesive, enabling the subsequent strength prediction of bonded joints.

Determinação da tenacidade à fratura em corte (GIIc) de adesivos estruturais pelo ensaio End-Notched Flexure (ENF)

Os adesivos têm sido alvo de estudo ao longo dos últimos anos para ligação de componentes a nível industrial. Devido à crescente utilização das juntas adesivas, torna-se necessária a existência de modelos de previsão de resistência que sejam fiáveis e robustos. Neste âmbito, a determinação das propriedades dos adesivos é fundamental para o projeto de ligações coladas. Uma abordagem recente consiste no uso de modelos de dano coesivo (MDC), que permitem simular o comportamento à fratura das juntas de forma bastante fiável. Esta técnica requer a definição das leis coesivas em tração e corte. Estas leis coesivas dependem essencialmente de 2 parâmetros: a tensão limite e a tenacidade no modo de solicitação respetivo. O ensaio End-Notched Flexure (ENF) é o mais utilizado para determinar a tenacidade em corte, porque é conhecido por ser o mais expedito e fiável para caraterizar este parâmetro. Neste ensaio, os provetes são sujeitos a flexão em 3 pontos, sendo apoiados nas extremidades e solicitados no ponto médio para promover a flexão entre substratos, o que se reflete numa solicitação de corte no adesivo. A partir deste ensaio, e após de definida a tenacidade em corte (GIIc), existem alguns métodos para estimativa da lei coesiva respetiva. Nesta dissertação são definidas as leis coesivas em corte de três adesivos estruturais através do ensaio ENF e um método inverso de ajuste dos dados experimentais. Para o efeito, foram realizados ensaios experimentais considerado um adesivo frágil, o Araldite® AV138, um adesivo moderadamente dúctil, o Araldite® 2015 e outro dúctil, o SikaForce® 7752. O trabalho experimental consistiu na realização dos ensaios ENF e respetivo tratamento dos dados para obtenção das curvas de resistência (curvas-R) através dos seguintes métodos: Compliance Calibration Method (CCM), Direct Beam Theory (DBT), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance-Based Beam Method (CBBM). Os ensaios foram simulados numericamente pelo código comercial ABAQUS®, recorrendo ao Métodos de Elementos Finitos (MEF) e um MDC triangular, com o intuito de estimar a lei coesiva de cada um dos adesivos em solicitação de corte. Após este estudo, foi feita uma análise de sensibilidade ao valor de GIIc e resistência coesiva ao corte (tS 0), para uma melhor compreensão do efeito destes parâmetros na curva P- do ensaio ENF. Com o objetivo de testar adequação dos 4 métodos de obtenção de GIIc usados neste trabalho, estes foram aplicados a curvas P- numéricas de cada um dos 3 adesivos, e os valores de GIIc previstos por estes métodos comparados com os respetivos valores introduzidos nos modelos numéricos. Como resultado do trabalho realizado, conseguiu-se obter uma lei coesiva única em corte para cada um dos 3 adesivos testados, que é capaz de reproduzir com precisão os resultados experimentais.

Estudo numérico da adequação de diferentes tipos de leis coesivas na previsão da resistência de juntas adesivas por Modelos de Dano Coesivo

O uso de ligações adesivas aumentou significativamente nos últimos anos e é hoje em dia uma técnica de ligação dominante na indústria aeronáutica e automóvel. As ligações adesivas visam substituir os métodos tradicionais de fixação mecânicos na união de estruturas. A melhoria ao longo dos anos de vários modelos de previsão de dano, nomeadamente através do Método de Elementos Finitos (MEF), tem ajudado ao desenvolvimento desta técnica de ligação. Os Modelos de Dano coesivo (MDC), usados em conjunto com MEF, são uma ferramenta viável para a previsão de resistência de juntas adesivas. Os MDC combinam critérios da resistência dos materiais para a iniciação do dano e conceitos da mecânica da fratura para a propagação da fenda. Existem diversas formas de leis coesivas possíveis de aplicar em simulações por MDC, em função do comportamento expectável dos materiais que estão a ser simulados. Neste trabalho, estudou-se numericamente o efeito de diversas formas de leis coesivas na previsão no comportamento de juntas adesivas, nomeadamente nas curvas forçadeslocamento (P-) de ensaios Double-Cantilever Beam para caracterização à tração e ensaios End-Notched Flexure para caraterização ao corte. Também se estudou a influência dos parâmetros coesivos à tração e corte nas curvas P- dos referidos ensaios. Para o Araldite®AV138 à tração e ao corte, a lei triangular é a que melhor prevê o comportamento do adesivo. Para a previsão da resistência de ambos os adesivos Araldite® 2015 e SikaForce® 7752, a lei trapezoidal é a que melhor se adequa, confirmando assim que esta lei é a que melhor caracteriza o comportamento de dano de adesivos tipicamente dúcteis. O estudo dos parâmetros revelou influência distinta na previsão do comportamento das juntas, embora com bastantes semelhanças entre os diferentes tipos de adesivos.

Caraterização das propriedades macânicas e de fratura de um adesivo estrutural de alta ductilidade

As juntas adesivas são uma alternativa viável para substituir ligações comuns como as mecânicas ou soldadas, devido a diversas vantagens como a possibilidade de união de materiais de natureza diferente, maior leveza, menores custos inerentes ao fabrico e ainda prevenção da corrosão galvânica que pode ocorrer nas ligações entre dois materiais metálicos diferentes. A resistência de uma junta depende, para um determinado tipo de solicitação imposta, da distribuição de tensões no interior da junta. Por outro lado, a geometria das juntas, as propriedades mecânicas dos adesivos e os componentes a ligar vão influenciar a distribuição de tensões. O carregamento nas camadas adesivas de uma junta poderá induzir tensões de tração, compressão, corte, arrancamento ou clivagem, ou ainda uma combinação de duas ou mais destas componentes. O objetivo da presente dissertação é a caraterização completa de um adesivo estrutural de alta ductilidade recentemente lançado no mercado (SikaPower® -4720), para facilitar o projeto e otimização de juntas adesivas ligadas com o mesmo. São quatro os ensaios a realizar: ensaios à tração de provetes maciços (também denominados de bulk), ensaios ao corte com a geometria Thick Adherend Shear Test, ensaios Double-Cantilever Beam e ainda ensaios End-Notched Flexure. Com a realização dos ensaios referidos, são determinadas as propriedades essenciais à caraterização mecânica e de fratura do adesivo. Os resultados obtidos para cada ensaio resultaram em propriedades medidas com elevada repetibilidade, da mesma maneira que se revelaram de acordo com os dados disponibilizados pelo fabricante, sempre que estes estavam disponíveis.