Técnicas de controlo não-linear baseadas em Redes Neuronais: do algoritmo à implementação

O presente trabalho analisa soluções de controlo não-linear baseadas em Redes Neuronais e apresenta a sua aplicação a um caso prático, desde o algoritmo de treino até à implementação física em hardware. O estudo inicial do estado da arte da utilização das Redes Neuronais para o controlo leva à proposta de soluções iterativas para a definição da arquitectura das mesmas e para o estudo das técnicas de Regularização e Paragem de Treino Antecipada, através dos Algoritmos Genéticos e à proposta de uma forma de validação dos modelos obtidos. Ao longo da tese são utilizadas quatro malhas para o controlo baseado em modelos, uma das quais uma contribuição original, e é implementado um processo de identificação on-line, tendo por base o algoritmo de treino Levenberg-Marquardt e a técnica de Paragem de Treino Antecipada que permite o controlo de um sistema, sem necessidade de recorrer ao conhecimento prévio das suas características. O trabalho é finalizado com um estudo do hardware comercial disponível para a implementação de Redes Neuronais e com o desenvolvimento de uma solução de hardware utilizando uma FPGA. De referir que o trabalho prático de teste das soluções apresentadas é realizado com dados reais provenientes de um forno eléctrico de escala reduzida.

Controlo automático de um interferómetro para monitorização e caracterização de sensores interferométricos

A indústria de sensores de fibra óptica está a tornar-se cada vez mais importante e emprega diferentes técnicas que permitem monitorizar uma grande variedade de parâmetros. Uma das técnicas que apresenta grandes potencialidades, devido ao seu elevado desempenho, é a técnica interferométrica, que fornece, simultaneamente, uma grande sensibilidade e uma larga gama dinâmica. Além destas vantagens, juntam-se as vantagens comuns associadas a todos os sensores de fibra óptica, tais como passividade eléctrica, fiabilidade e possibilidade de multiplexagem, que também se aplicam aos sensores interferométricos. Outra técnica muito utilizada no ramo dos sensores de fibra óptica, em configurações interferométricas com intuito de interrogação, é a técnica de interferometria de luz branca. Esta técnica permite precisão de medição, insensibilidade a flutuações da potência óptica ao longo do sistema de interrogação, assim como uma resolução elevada. Com o intuito de tornar os sistemas de instrumentação / interrogação mais compactos e flexíveis foi desenvolvida uma plataforma de instrumentação virtual, que consiste em aplicações de software que implementam as funções dos instrumentos físicos em ambiente computacional. Esta área permite obter sistemas de instrumentação / interrogação menos complexos, de maior portabilidade e com um custo mais reduzido. Esta dissertação tem como objectivo o desenvolvimento de um sistema de interrogação de sensores de fibra óptica interferométricos controlado automaticamente através de instrumentação virtual, sendo necessário numa fase inicial um estudo aprofundado dos sensores de fibra óptica, das diferentes técnicas de interrogação e da área de instrumentação virtual. O capítulo 1 é o capítulo de introdução, onde são apresentados de forma genérica os diferentes conceitos inerentes ao trabalho, nomeadamente sensores de fibra óptica e os conceitos de interrogação de sensores interferométricos e conceitos de instrumentação virtual. Os sensores interferométricos são abordados com mais detalhe no capítulo 2. Neste capítulo são abordados os conceitos teóricos de interferometria, assim como os diferentes esquemas interferométricos geralmente utilizados em sensores de fibra óptica.No capítulo 3 são apresentados os diferentes esquemas de detecção de sinal utilizados para interrogar sensores interferométricos de fibra óptica. É apresentada a técnica de interferometria de luz branca e os esquemas de detecção de sinal homódina e heteródina. O conceito de instrumentação, com ênfase nos sistemas de instrumentação virtual é apresentado no capítulo 4. É abordado o tema de sistemas de instrumentação tradicionais e de instrumentação virtual, dando ênfase às vantagens destes últimos. É também apresentado o ambiente de programação LabVIEW e o amplificador lock-in virtual, utilizado no desenvolvimento do projecto. No capítulo 5 é apresentado o desenvolvimento do sistema de interrogação de sensores interferométricos proposto inicialmente. Todo o desenvolvimento, desde implementação do interferómetro receptor, passando pelo sistema de controlo baseado em instrumentação virtual, até à caracterização do sistema está documentado neste capítulo. A monitorização e caracterização de sensores interferométricos com o sistema apresentado no capítulo 5 estão documentadas no capítulo 6. No capítulo 7 são apresentadas as conclusões relativas ao trabalho desenvolvido, assim como as perspectivas futuras de evolução do sistema implementado.

Dispositivos de monitorização e controlo automático de factores climáticos em museus

As redes de comunicação sem fios são uma área de grande desenvolvimento. As tecnologias progridem e criam-se novas oportunidades de implementação de novos dispositivos nesta área. Neste tipo de redes, encontram-se as redes de sensores sem fios (WSN- Wireless Sensor Networks), que são constituídas por vários dispositivos (Nós Sensores) que colaboram entre si, para recolher e encaminhar informação sobre um determinado fenómeno físico até uma estação base. A um outro nível, a preservação das obras de arte é uma preocupação fundamental de todos os Museus. Existe a necessidade de conservar ao máximo as características genuínas de cada artefacto. Para tal, torna-se essencial uma monitorização e controlo de alguns factores ambientais, que podem danificar ou alterar as características dos materiais. Essa monitorização é realizada nos museus da Madeira, mas de uma forma manual e recorrendo a aparelhos que são dispendiosos e um pouco arcaicos. Assim sendo, tornou-se necessário encontrar uma solução, para a realização dessa tarefa de uma forma automática e contínua. As WSN oferecem uma resposta para estas necessidades, surgindo assim o projecto WISE-MUSE, que visa a monitorização ambiental para a conservação de obras de arte e artigos históricos, através de redes sem fios.Portanto, este projecto de Mestrado em Telecomunicações e Redes tem como área de acção a camada física da arquitectura do sistema WISE-MUSE. Neste sentido, desenvolveu-se um conjunto de dispositivos electrónicos, para monitorização e controlo de factores climáticos no Museu de arte contemporânea do Funchal. A ligação entre dispositivos e transmissão dos dados recolhidos foi assegurada através da implementação de uma rede sem fios. Ao nível dos nós sensores construídos, os desenvolvimentos mais importantes tiveram como meta a minimização de custos, consumo energético e dimensões dos mesmos. Além dos sensores, foram desenvolvidos outros componentes da rede, nomeadamente dispositivos routers e um dispositivo que permite o controlo automático da humidade.

Infuência da actividade física, de factores somáticos e do envolvimento na coordenação e habilidades motoras: um estudo em crianças madeirenses

O presente estudo foi delineado com os seguintes objectivos: (I) analisar as diferenças entre sexos no desempenho da coordenação e habilidades motoras e (II) avaliar a influência da actividade física (ActF), das características somáticas e do envolvimento familiar na capacidade de coordenação motora CM e expressão das habilidades motoras. A amostra foi constituída por 1632 crianças (835 do sexo feminino e 797 do sexo masculino) que participaram no projecto “Crescer com Saúde na Região Autónoma da Madeira” (CRES). Para avaliar o desenvolvimento coordenativo foi utilizada a bateria KTK e para as habilidades motoras recorremos ao Teste de Desenvolvimento das Habilidades Motoras Fundamentais (TGMD 2). As variáveis somáticas avaliadas foram: altura, peso e soma de cinco pregas adiposas (S5PA). As variáveis do envolvimento avaliadas foram: estatuto sócio-económico (ESE), fratria e outras variáveis relacionadas com o espaço habitacional e práticas educativas. A ActF foi avaliada através do questionário de Godin e Shephard (1985). Foi realizada a estatística descritiva para todas as variáveis observadas: média, desviopadrão, mínimo e máximo para as variáveis medidas nas escalas intervalar e de razão, frequências e percentagens para as variáveis medidas na escala nominal. Foi usada a prova de Student para analisar a diferença entre os dois sexos nas diferentes provas motoras. Para identificar as variáveis determinantes do desempenho motor foi usada a análise de regressão múltipla com o método stepwise. Em todas as provas estatísticas os resultados foram considerados significativos quando p≤0,05. Os rapazes obtiveram resultados médios superiores às raparigas na CM e no desempenho das habilidades motoras, com excepção dos testes de avaliação locomotora nas crianças com idade superior aos 6 anos em que não existem diferenças entre os sexos. A generalidade das crianças apresenta valores de CM que se situam nos níveis de insuficiências e perturbações coordenativas. As variáveis somáticas foram as melhores preditoras na variação do desempenho nos testes de CM e habilidades motoras. Níveis mais elevados de ctF estão associados a resultados médios superiores no desempenho dos testes de CM e na avaliação de controlo de objectos, nos rapazes com idade superior a 6 anos. As variáveis do envolvimento que melhor explicaram os resultados obtidos nos testes motores foram o ESE, o tipo de habitação, a ordem da fratria e o limite geográfico concedido à criança para brincar.

Crescimento somático e desempenho motor: um estudo com crianças da Região Autónoma da Madeira

Os propósitos deste estudo foram os seguintes: (1) caracterizar a altura, o peso, a altura sentado e o índice de massa corporal (IMC); (2) construir tabelas e cartas centílicas das variáveis anteriormente referidas; (3) estimar as prevalências de sobrepeso e de obesidade; (4) apresentar dados descritivos da performance motora em ambos os sexos; (5) testar a hipótese da diferença de desempenho motor entre meninos e meninas e em função da idade; (6) identificar os testes, numa análise multivariada, que mais distinguem a performance de raparigas e rapazes; (7) estudar o efeito da adiposidade e actividade física numa medida compósita do desempenho motor; (8) comparar os valores médios das meninas e meninos da RAM com os das crianças dos Estados Unidos da América (EUA) e (9) apresentar cartas centílicas para idade e sexo. A amostra estratificada proporcional proveniente de 37 instituições escolares envolveu 836 alunos (417 raparigas e 419 rapazes) dos 3 aos 10 anos de idade que são parte integrante do projecto “Crescer com Saúde na RAM” (CRES). As medidas somáticas consideradas foram avaliadas de acordo com o protocolo do estudo de Crescimento de Lovaina (Bélgica) que segue as directrizes do Programa Biológico Internacional. O desempenho motor foi avaliado com a bateria de testes “Preschool Test Battery” (PTB). As diferentes análises estatísticas foram realizadas no SPSS 15 e Excel, sendo que α=5%.Verificaram-se incrementos significativos nas médias da estatura, peso, altura sentado e IMC, sem que haja diferenças sexuais acentuadas. A prevalência de sobrepeso foi, respectivamente, de 16.1% e 14.6% nas raparigas e rapazes; na obesidade os valores foram 7.7% e 8.8%. Relativamente ao desempenho motor, em ambos os sexos e ao longo da idade, é claro um aumento significativo nos valores médios da performance, sendo evidente a presença de dimorfismo sexual favorecendo os rapazes. Níveis mais elevados de adiposidade reflectem-se negativamente no desempenho motor, sendo que tal tendência não é tão evidente com os níveis de actividade física. As principais conclusões são as seguintes: (1) o crescimento é o esperado em condições socio-económicas favoráveis que a RAM vive; (2) há uma forte variabilidade inter-individual que reclama uma atenção cuidada por parte dos educadores; (3) não se verificam diferenças substanciais entre sexos que exijam uma atenção particular; (4) as prevalências de sobrepeso e obesidade impelem a um serviço de maior vigilância epidemiológica, maiores cuidados nos hábitos nutricionais, bem como a incrementos bem relevantes nos hábitos de actividade física e desportiva das crianças. Para finalizar, o desempenho permite as seguintes ilações: (5) é claro o incremento da performance em função da idade favorecendo os meninos; (6) a adiposidade tem um efeito negativo na performance que reclama uma atenção mais adequada dos educadores e progenitores; (7) o facto de não haver um efeito significativo da actividade física no desempenho motor pode dever-se a problemas com o instrumento utilizado; neste sentido sugerem-se outras abordagens, não esquecendo nunca os efeitos inequívocos e salutares dos níveis moderados e elevados no bem-estar e performance; (8) o facto das crianças da RAM terem desempenhos inferiores às dos EUA exige uma atenção adequada dos professores de Educação Física.

Efeito do ganho da antena nas perdas de percurso de uma ligação

O presente trabalho tem como objectivo principal a realização de um estudo do efeito do ganho das antenas nas perdas de percurso de uma ligação na banda de frequência ISM (Insdustrial Scientific and Medical) nos 2,4 GHz. Para tal, foram utilizadas 14 antenas de 7 tipos diferentes (2 monopolo, 2 colineares, 2 grelhas, 2 Yagi, 2 painéis, 2 parabólicas e 2 helicoidais) com ganhos a variar desde os 1,3 a 23 dBi. Inicialmente, obtiveram-se os parâmetros fundamentais das antenas utilizadas, nomeadamente o diagrama de radiação e o ganho. Desenvolveu-se um sistema, que permite a medição do diagrama de radiação de forma automática através de um motor passo a passo. Uma aplicação desenvolvida em ambiente Matlab realiza o controlo do motor e desenha o respectivo diagrama em tempo real. Para a realização das medições da propagação do sinal desenvolveu-se um sistema que interliga a antena receptora a um computador portátil através de um analisador de espectros. À medida que as medições são efectuadas, a atenuação do sinal em função da distância é determinada e apresentada graficamente no computador sendo, ainda, representada a atenuação esperada no espaço livre. Para isto, implementou-se uma aplicação em ambiente Matlab que faz o tratamento e representação dos dados. Tendo-se conhecimento dos parâmetros das antenas, e com o sistema de medição implementado, passou-se às medições da propagação do sinal em diferentes meios, tais como, meio sem obstáculos, meio urbano, meio florestal caracterizado por troncos no percurso de propagação e meio florestal caracterizado por folhagem no percurso de propagação. Em cada meio foram efectuadas medições para 37 combinações de antenas, com ganhos conjuntos a variar desde os 2,6 até o 46 dBi. As medições foram efectuadas com a colocação da antena emissora numa posição fixa e com o afastamento da antena receptora em intervalos de 5 metros, até os 150 metros, seguindo a linha de máxima radiação entre ambas as antenas. Ainda, para os meios sem obstáculos e florestais, foram efectuadas medições para dois ângulos em relação à linha indicada, sendo estes de 30° e 330°, respectivamente. Com base nos resultados obtidos, verificou-se um aumento da atenuação à medida que se passou para meios mais obstruídos, sendo que, para o meio sem obstáculos a atenuação aproxima-se da curva do espaço livre. No meio urbano observou-se que a atenuação aumentou ligeiramente. No entanto, esta não é muito significativa quando comparada com a atenuação no espaço livre. Por último, notou-se um grande aumento da atenuação nos meios florestais, ao nível dos troncos e da vegetação, sendo superior para esta última. Relativamente às antenas, verificou-se que existe um aumento da atenuação na medida que o ganho destas aumenta, sendo mais visível para meios com maior obstrução (florestais). Para a situação em que as antenas encontram-se com desvios de 30° e 330°, verificou-se que este aumento é mais significativo para as antenas directivas (ganhos superiores).

Gestão de projectos: modelo para gestão e controlo de custos de obras de construção civil

Hoje em dia onde o mercado da construção civil é cada vez mais competitivo e as empresas de construção civil tendem em apresentar orçamentos com os custos cada vez mais inferiores, diminuindo as margens de lucro por forma a garantir trabalho para alimentar a sua massa. Deste modo, é fulcral apostar em ferramentas ou em métodos que apoiem a equipa de direcção de obra de forma a garantir as margens previstas antes do início dos trabalhos. É neste contexto que este trabalho foi desenvolvido, garantindo uma aplicação informática numa folha de cálculo MS Excel e com recurso ao programa de planeamento MS Project, que aplica um método de controlo de custos de uma forma simples e funcional sem grandes encargos de aquisição de softwares ou de formação específica.

Simulação de um sistema aerogerador com controlo óptimo predictivo

Nesta dissertação de mestrado propõe-se simular um sistema para melhorar a qualidade da energia eléctrica produzida por um parque eólico, utilizando conversores multinível NPC costas com costas e controlo óptimo predictivo. Neste trabalho é feito o controlo da potência activa e reactiva que é fornecida à rede de energia eléctrica, a partir de um gerador eólico e é optimizada a forma de onda alternada e sinusoidal de tensão trifásica sem neutro, minimizando o tremor das correntes e a distorção harmónica total, contribuindo para melhorar a qualidade de energia da rede ou de sistemas de alimentação para aplicações críticas como são os sistemas de telecomunicações. Recorre-se ao Matlab/Simulink para simular e comparar os resultados obtidos no sistema de conversão de energia de um parque eólico com o conversor costas com costas com controlo óptimo predictivo com os resultados obtidos com o conversor costas com costas PWM, disponível na biblioteca do software de simulação.

Human growth, biological maturation, motor performance and contextual factors in Madeira children

The central aims of this study were: (1) to construct age- and gender-specific percentiles for motor coordination (MC), (2) to analyze the change, stability, and prediction of MC, (3) to investigate the relationship between motor performance and body fatness, and (4) to evaluate the relationships between skeletal maturation and fundamental motor skills (FMS) and MC. The data collected was from the ‘Healthy Growth of Madeira Children Study’ and from the ‘Madeira Child Growth Study’. In these studies, MC, FMS, skeletal age, growth characteristics, motor performance, physical activity, socioeconomic status, and geographical area were assessed/measured. Generalized additive models for location, scale and shape, mixed between-within subjects ANOVA, multilevel models, and hierarchical regression (blocks) were some of the statistical procedures used in the analyses. Scores on walking backwards and moving sideways improved with age. It was also found that boys performed better than girls on moving sideways. Normal-weight children outperformed obese peers in almost all gross MC tests. Inter-age correlations were calculated to be between 0.15 and 0.60. Age was associated with a better performance in catching, scramble, speed run, standing long jump, balance, and tennis ball throwing. Body mass index was positively associated with scramble and speed run, and negatively related to the standing long jump. Physical activity was negatively associated with scramble. Semi-urban children displayed better catching skills relative to their urban peers. The standardized residual of skeletal age on chronological age (SAsr) and its interaction with stature and/or body mass accounted for the maximum of 7.0% of variance in FMS and MC over that attributed to body size per se. SAsr alone accounted for a maximum of 9.0% variance in FMS and MC over that attributed to body size per se and interactions between SAsr and body size. This study demonstrates the need to promote FMS, MC, motor performance, and physical activity in children.

Sincronização de múltiplas câmaras e controlo de iluminação sobre uma plataforma FPGA

O objetivo deste projeto foi o de realizar a sincronização de pelo menos quatro câmaras individuais, ajustando dinamicamente o frame rate de operação de cada câmara, tendo por base a família de sensores de imagem CMOS NanEye da empresa Awaiba, numa plataforma FPGA com interface USB3. Durante o projeto analisou-se, com a assistência de um supervisor da Awaiba, o sistema core de captura de imagem existente, baseado em VHDL. Foi estudado e compreendido o princípio do ajuste dinâmico do frame rate das câmaras. Tendo sido então desenvolvido o módulo de controlo da câmara, em VHDL, e um algoritmo de ajuste dinâmico do frame rate, sendo este implementado junto com a plataforma de processamento e interface da FPGA. Foi criado um módulo para efetuar a monitorização da frequência de operação de cada câmara, medindo o período de cada linha numa frame, tendo por base um sinal de relógio de valor conhecido. A frequência é ajustada variando o nível de tensão aplicado ao sensor com base no erro entre o período da linha medido e o período pretendido. Para garantir o funcionamento conjunto de múltiplas câmaras em modo síncrono foi implementada uma interface Master-Slave entre estas. Paralelamente ao módulo anteriormente descrito, implementou-se um sistema de controlo automático de iluminação com base na análise de regiões de interesse em cada frame captada por uma câmara NanEye. A intensidade de corrente aplicada às fontes de iluminação acopladas à câmara é controlada dinamicamente com base no nível de saturação dos pixéis analisados em cada frame. Foram desenvolvidas e implementadas variantes do algoritmo de controlo e o seu desempenho foi avaliado em laboratório. Os resultados obtidos na prática evidenciam que a solução implementada cumpre os requisitos de controlo e ajuste da frequência de operação de múltiplas câmaras. Mostrou ser um método de controlo capaz de manter um erro de sincronização médio de 3,77 μs mesmo na presença de variações de temperatura de aproximadamente 50 °C. Foi também demonstrado que o sistema de controlo de iluminação é capaz de proporcionar uma experiência de visualização adequada, alcançando erros menores que 3% e uma velocidade de ajuste máxima inferior a 1 s.

Projeto de um protótipo de um veículo elétrico

Os veículos movidos com combustíveis fósseis são, hoje em dia, os veículos mais utilizados em transportes. Estes meios de transporte caracterizam-se pelo seu baixo rendimento e por serem poluentes, pelo que, nos últimos anos, tem havido um esforço em criar ou melhorar meios de transporte, através do aumento do seu rendimento e eliminando a emissão de poluentes. A utilização de máquinas elétricas como meio de locomoção é uma das soluções alternativas, uma vez que, estas apresentam um rendimento elevado e não emitem diretamente gases tóxicos, apesar das baterias serem uma das principais dificuldades, no que diz respeito à relação peso/densidade de energia. Por outro lado, as baterias, devido à sua capacidade de armazenamento de energia, podem ser utilizadas para armazenar energia da rede elétrica, contribuindo para uma melhor gestão, e também para armazenar num veículo elétrico a energia gerada em modo de travagem e que posteriormente pode ser utilizada para fazer mover o motor elétrico. Neste trabalho fez-se um projeto de um veículo elétrico (VE) e estudou-se o impacto da utilização em massa de veículos elétricos na gestão da rede de energia elétrica. A verificação experimental fez-se com um conversor DC/DC bidirecional com uma configuração em ponte H e com um conversor DC/DC redutor unidirecional. Utilizaram-se compensadores clássicos para, em malha fechada, regular o binário, a velocidade e a corrente, através de compensadores Proporcional Integrativo (PI) e Proporcional Integrativo Derivativo (PID). No desenvolvimento deste projeto, fez-se uma análise teórica, realizaram-se simulações na ferramenta MATLAB/Simulink onde foram criados modelos do veículo elétrico para verificar o seu comportamento, e seguidamente analisaram-se experimentalmente estes resultados. O controlo deste veículo foi feito com a utilização de microcontroladores de baixo custo, recorrendo a uma arquitetura de processamento distribuído/partilhado, constituindo esse estudo uma nova contribuição. Os resultados demonstraram que o rendimento dos veículos elétricos em média encontram-se nos 85-90 %, superior aos atuais 40% dos veículos a combustão interna, eliminando também a emissão de poluentes.