Um algoritmo PSO híbrido para planejamento de caminhos em navegação de veículos utilizando A*

Utilizar robôs autônomos capazes de planejar o seu caminho é um desafio que atrai vários pesquisadores na área de navegação de robôs. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo implementar um algoritmo PSO híbrido para o planejamento de caminhos em ambientes estáticos para veículos holonômicos e não holonômicos. O algoritmo proposto possui duas fases: a primeira utiliza o algoritmo A* para encontrar uma trajetória inicial viável que o algoritmo PSO otimiza na segunda fase. Por fim, uma fase de pós planejamento pode ser aplicada no caminho a fim de adaptá-lo às restrições cinemáticas do veículo não holonômico. O modelo Ackerman foi considerado para os experimentos. O ambiente de simulação de robótica CARMEN (Carnegie Mellon Robot Navigation Toolkit) foi utilizado para realização de todos os experimentos computacionais considerando cinco instâncias de mapas geradas artificialmente com obstáculos. O desempenho do algoritmo desenvolvido, A*PSO, foi comparado com os algoritmos A*, PSO convencional e A* Estado Híbrido. A análise dos resultados indicou que o algoritmo A*PSO híbrido desenvolvido superou em qualidade de solução o PSO convencional. Apesar de ter encontrado melhores soluções em 40% das instâncias quando comparado com o A*, o A*PSO apresentou trajetórias com menos pontos de guinada. Investigando os resultados obtidos para o modelo não holonômico, o A*PSO obteve caminhos maiores entretanto mais suaves e seguros.

Power converter topologies for wind energy conversion systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation

This paper presents new integrated model for variable-speed wind energy conversion systems, considering a more accurate dynamic of the wind turbine, rotor, generator, power converter and filter. Pulse width modulation by space vector modulation associated with sliding mode is used for controlling the power converters. Also, power factor control is introduced at the output of the power converters. Comprehensive performance simulation studies are carried out with matrix, two-level and multilevel power converter topologies in order to adequately assert the system performance. Conclusions are duly drawn.

Plataforma de controlo e simulação robótica

A robótica tem evoluído no sentido de criar robots e componentes cada vez mais evoluídos a preços acessíveis. Este facto permitiu que o desenvolvimento de aplicações no âmbito da robótica se tenha massificado e que a utilidade dos robots se tenha alargado a diferentes áreas de aplicação. Apesar da evolução dos robots e dos componentes para os mesmos, subsistem limitações que restringem a utilização de robots a certas aplicações, nomeadamente quando a capacidade de processamento e de memória não é suficiente para executar as aplicações. A forma para ultrapassar estas limitações tem residido essencialmente em duas abordagens: limitar as aplicações desenvolvidas à medida dos recursos disponíveis no hardware; ou estender as capacidades do robot usando recursos externos ao robot, quer por extensão do hardware do robot, quer por controlo remoto dos componentes do robot. Atendendo a esta problemática, foi desenvolvida uma plataforma que estende as capacidades dos robots segundo uma abordagem que usa o controlo remoto do robot, para capacitar as aplicações de controlo desenvolvidas de mais recursos, nomeadamente em termos de capacidade de processamento e memória. A plataforma desenvolvida disponibiliza ainda um simulador que virtualiza um campo de simulação e um robot, e simula a forma como estes interagem. O simulador é integrado na plataforma de forma semelhante aos adaptadores para robots, para que as aplicações desenvolvidas possam ser usadas quer em robots reais como no simulador.

Adaptação de variadores industriais à excitação de geradores assíncronos: aplicação em turbinas Savonius

Este trabalho é um contributo para o desenvolvimento de sistemas de conversão de energia eólica em energia eléctrica em equipamentos comercialmente disponíveis. Com base na recolha de dados meteorológicos, foi caracterizada a disponibilidade da energia eólica num local de instalação de um sistema de geração de energia eléctrica. A exploração dos recursos eólicos pode ser caracterizada por intermédio de geradores eléctricos accionados por turbinas de eixo vertical ou de eixo horizontal. O sistema de geração projectado utiliza como gerador eléctrico a máquina assíncrona de rotor em curto-circuito accionada por uma turbina de eixo vertical do tipo Savonius. No que respeita a conversão electromecânica de energia, para realizar a excitação do gerador de indução e o controlo da potência entregue à rede, foi utilizado um conversor electrónico industrial do tipo regenerativo dedicado a accionamentos de velocidade variável. A estratégia de controlo utilizada, nos modelos desenvolvidos para simulação do sistema de geração proposto, utiliza a técnica de controlo vectorial de orientação de campo para realizar o controlo do binário do gerador de indução, colocando-o em modo de frenagem, através do qual é recolhida energia eléctrica. Tendo em vista a comprovação experimental do desempenho do sistema proposto, foi realizado em laboratório um protótipo. Neste protótipo a turbina Savonius é simulada por um accionamento mecânico constituído por um conjunto variador de velocidade - máquina síncrona de magnetos permanentes. O controlo do sistema é feito por intermédio de um processador digital de sinal (DSP). O DSP impõe a dinâmica desejada para turbina ao seu simulador electromecânico, faz o tratamento dos dados adquiridos no sistema gerador, implementa o seu controlo e estabelece a interface humano-máquina. O modelo teórico proposto para o sistema de geração e a estratégia de controlo adoptada são validados por comparação entre resultados de simulação numérica e os correspondentes resultados experimentais.

Concepção de uma pequena turbina eólica destinada ao segmento doméstico (simplificação e análise aerodinâmica das pás)

O trabalho que se apresenta incide sobre o estudo aerodinâmico das pás de uma turbina eólica de pequeno porte, com vista à simplificação geométrica, de forma a que estas sejam baratas e de fácil concepção. A teoria da quantidade de movimento do elemento de pá (BEMT), que é o modelo de referência para o projecto e análise aerodinâmica das pás das turbinas eólicas, foi utilizada neste trabalho de forma a projectar e analisar aerodinamicamente as pás da turbina. Sendo assim, desenvolveu-se um programa computacional em MATLAB, denominado de “Turbina”, de forma a implementar a teoria BEM. Introduzindo os dados dos parâmetros de projecto no programa (potência requerida, o número de pás, velocidade do vento, a TSR e o tipo de perfil alar), obtêm-se os parâmetros geométricos das pás (distribuição da corda ao longo da envergadura, o raio da pá e a distribuição da torção da pá), os parâmetros aerodinâmicos e de desempenho. Uma pá ideal foi calculada e de seguida foi modificada de forma a obter-se uma pá simples e menos carregada aerodinamicamente. Introduzidas as modificações na geometria da pá ideal, obtiveram-se duas configurações distintas. Uma configuração linear, onde a distribuição da corda e do ângulo de torção se tornam lineares, e outra configuração bi-linear, onde a distribuição da corda continua linear mas o ângulo de torção se torna bi-linear, isto é, a pá é composta por dois troços onde cada troço apresenta uma distribuição linear do ângulo de torção geométrica. As conclusões demonstram que a configuração bi-linear é uma boa alternativa a configuração ideal, apresentando uma redução do desempenho do rotor de 2.8% para um aumento do raio da pá em 1.41%, para se obter a mesma potência da configuração ideal. A análise aos perfis alares, utilizados neste trabalho, foi efectuada a partir dos programas comerciais ICEM e FLUENT. De forma a automatizar a análise de CFD, três programas foram desenvolvidos utilizando a linguagem de programação “C”. Os programas são denominados de “Malha2D”, “Calcula_Coeficientes” e “Plot_Graficos”. Finalmente, um estudo paramétrico foi feito de forma a avaliar a influências das variáveis de projecto no desempenho geral da turbina.

Modelização de um mecanismo de levitação supercondutor para um sistema de volante de inércia comercial

Este trabalho teve como objectivo o estudo de um sistema de levitação magnética com chumaceiras supercondutoras, para utilização numa fonte de alimentação de energia eléctrica ininterrupta, que usa um volante de inércia como sistema de armazenamento de energia. Partindo de um modelo comercial existente, foi modelizada a substituição do sistema de levitação por um sistema com chumaceiras supercondutoras. Foi feito o dimensionamento do magnete permanente e do supercondutor de forma a atingir-se a força de levitação magnética necessária para elevar o rotor da máquina, garantindo simultaneamente a máxima estabilidade do sistema. Os perfis de distribuição do campo magnético no volante de inércia foram modelizados recorrendo ao método dos elementos finitos, através da utilização do software Ansys. O cálculo da força de levitação foi efectuado recorrendo ao software MATHEMATICA.

Fractional-order control and simulation of wind energy systems with PMSG/full-power converter topology

This paper presents a new integrated model for the simulation of wind energy systems. The proposed model is more realistic and accurate, considering a variable-speed wind turbine, two-mass rotor, permanent magnet synchronous generator (PMSG), different power converter topologies, and filters. Additionally, a new control strategy is proposed for the variable-speed operation of wind turbines with PMSG/full-power converter topology, based on fractional-order controllers. Comprehensive simulation studies are carried out with matrix and multilevel power converter topologies, in order to adequately assert the system performance in what regards the quality of the energy injected into the electric grid. Finally, conclusions are duly drawn.

A new control strategy with saturation effect compensation for an autonomous induction generator drivenby wide speed range turbines

This paper presents a variable speed autonomous squirrel cage generator excited by a current-controlled voltage source inverter to be used in stand-alone micro-hydro power plants. The paper proposes a system control strategy aiming to properly excite the machine as well as to achieve the load voltage control. A feed-forward control sets the appropriate generator flux by taking into account the actual speed and the desired load voltage. A load voltage control loop is used to adjust the generated active power in order to sustain the load voltage at a reference value. The control system is based on a rotor flux oriented vector control technique which takes into account the machine saturation effect. The proposed control strategy and the adopted system models were validated both by numerical simulation and by experimental results obtained from a laboratory prototype. Results covering the prototype start-up, as well as its steady-state and dynamical behavior are presented. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Elastically restrained Bernoulli-Euler beams applied to rotary machinery modelling

Facing the lateral vibration problem of a machine rotor as a beam on elastic supports in bending, the authors deal with the free vibration of elastically restrained Bernoulli-Euler beams carrying a finite number of concentrated elements along their length. Based on Rayleigh's quotient, an iterative strategy is developed to find the approximated torsional stiffness coefficients, which allows the reconciliation between the theoretical model results and the experimental ones, obtained through impact tests. The mentioned algorithm treats the vibration of continuous beams under a determined set of boundary and continuity conditions, including different torsional stiffness coefficients and the effect of attached concentrated masses and rotational inertias, not only in the energetic terms of the Rayleigh's quotient but also on the mode shapes, considering the shape functions defined in branches. Several loading cases are examined and examples are given to illustrate the validity of the model and accuracy of the obtained natural frequencies.

An architecture for ambient intelligent environments

This paper presents the proposal of an architecture for developing systems that interact with Ambient Intelligence (AmI) environments. This architecture has been proposed as a consequence of a methodology for the inclusion of Artificial Intelligence in AmI environments (ISyRAmI - Intelligent Systems Research for Ambient Intelligence). The ISyRAmI architecture considers several modules. The first is related with the acquisition of data, information and even knowledge. This data/information knowledge deals with our AmI environment and can be acquired in different ways (from raw sensors, from the web, from experts). The second module is related with the storage, conversion, and handling of the data/information knowledge. It is understood that incorrectness, incompleteness, and uncertainty are present in the data/information/knowledge. The third module is related with the intelligent operation on the data/information/knowledge of our AmI environment. Here we include knowledge discovery systems, expert systems, planning, multi-agent systems, simulation, optimization, etc. The last module is related with the actuation in the AmI environment, by means of automation, robots, intelligent agents and users.

A Sensorless PMDC Motor Speed Controller with a Logical Overcurrent Protection

A method to control the speed or the torque of a permanent-magnet direct current motor is presented. The rotor speed and the external torque estimation are simultaneously provided by appropriate observers. The sensorless control scheme is based on current measurement and switching states of power devices. The observer’s performances are dependent on the accurate machine parameters knowledge. Sliding mode control approach was adopted for drive control, providing the suitable switching states to the chopper power devices. Despite the predictable chattering, a convenient first order switching function was considered enough to define the sliding surface and to correspond with the desired control specifications and drive performance. The experimental implementation was supported on a single dsPIC and the controller includes a logic overcurrent protection.

Navegação de um robô autónomo semi-industrial usando diferentes técnicas sensoriais

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Optimização dos parâmetros de um robô hexápode através de algoritmos genéticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Modelling a Rotating Shaft as an Elastically Restrained Bernoulli-Euler Beam

Industrial rotating machines may be exposed to severe dynamic excitations due to resonant working regimes. Dealing with the bending vibration, problem of a machine rotor, the shaft - and attached discs - can be simply modelled using the Bernoulli-Euler beam theory, as a continuous beam subjected to a specific set of boundary conditions. In this study, the authors recall Rayleigh's method to propose an iterative strategy, which allows for the determination of natural frequencies and mode shapes of continuous beams taking into account the effect of attached concentrated masses and rotational inertias, including different stiffness coefficients at the right and the left end sides. The algorithm starts with the exact solutions from Bernoulli-Euler's beam theory, which are then updated through Rayleigh's quotient parameters. Several loading cases are examined in comparison with the experimental data and examples are presented to illustrate the validity of the model and the accuracy of the obtained values.

Construção de um robô trepador com locomoção através de rodas e adesão através de meios magnéticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores