Controle em tempo real de robôs através de redes IP

Com o intuito de utilizar uma rede com protocolo IP para a implementação de malhas fechadas de controle, este trabalho propõe-se a realizar um estudo da operação de um sistema de controle dinâmico distribuído, comparando-o com a operação de um sistema de controle local convencional. Em geral, a decisão de projetar uma arquitetura de controle distribuído é feita baseada na simplicidade, na redução dos custos e confiabilidade; portanto, um diferencial bastante importante é a utilização da rede IP. O objetivo de uma rede de controle não é transmitir dados digitais, mas dados analógicos amostrados. Assim, métricas usuais em redes de computadores, como quantidade de dados e taxa de transferências, tornam-se secundárias em uma rede de controle. São propostas técnicas para tratar os pacotes que sofrem atrasos e recuperar o desempenho do sistema de controle através da rede IP. A chave para este método é realizar a estimação do conteúdo dos pacotes que sofrem atrasos com base no modelo dinâmico do sistema, mantendo o sistema com um nível adequado de desempenho. O sistema considerado é o controle de um manipulador antropomórfico com dois braços e uma cabeça de visão estéreo totalizando 18 juntas. Os resultados obtidos mostram que se pode recuperar boa parte do desempenho do sistema.

Aplicação de um sistema robótico utilizando recursos de sistemas CAD/CAM para o processo de fresamento

Sistemas produtivos industriais podem combinar, em células de manufatura, diferentes características de automação de processos permitindo interfaceamento e possibilitando a flexibilização e otimização da manufatura. Nos processos de fabricação, as dificuldades para a execução de processos de usinagem convencional ou mesmo através de comando numérico, quando se dispõe de máquinas adequadas para a fabricação de peças de geometrias complexas, podem limitar a criatividade, bem como dificultar o desenvolvimento do processo produtivo de forma otimizada. As dificuldades encontradas vão desde fixação das peças, necessidades de dispositivos especiais, restrições nos volumes de trabalho de máquinas CNC e mesmo a geração de trajetórias complexas para máquinas com limitações de eixos. Este trabalho propõe uma metodologia alternativa para usinagem, especialmente fresamento, com desenvolvimento de um algoritmo capaz de, através da utilização de recursos de sistemas CAD/CAM, traduzir arquivos gráficos para uma linguagem de programação utilizada em robôs. Na aplicação utilizam-se recursos dos sistemas CAD/CAM para gerar, numa primeira etapa, o código de programação para máquinas-ferramenta de comando numérico e posterior adaptação, para aplicação em sistemas robóticos. Informações de caminhos de ferramenta para usinagem em máquinas CNC são convertidos, através de uma interface computacional, em trajetórias a serem seguidas por uma ferramenta guiada por um manipulador de robô industrial. Os parâmetros de processo são também adequados as restrições dos sistemas robotizados. A viabilidade do sistema proposto é confirmada através de testes realizados em modelos de superfícies complexas, onde o objetivo do referido trabalho foi alcançado.

Controle preditivo de robôs móveis não holonômicos

O controle de robôs móveis não holonômicos apresenta como principal desafio o fato de estes sistemas não serem estabilizáveis em um ponto através de uma realimentação de estados suave e invariante no tempo, conforme o Teorema de Brockett. Para contornar este resultado, técnicas clássicas utilizam leis de controle variante no tempo ou não suaves (descontínuas). Entretanto, estas técnicas não prevêem durante o cálculo da lei de controle restrições nas variáveis do sistema e assim, muitas vezes, geram entradas de controle que são incompatíveis com uma implementação real. Neste trabalho são desenvolvidos algoritmos de controle preditivo baseado em modelo (MPC) para o controle de robôs móveis não holonômicos dotados de rodas. No MPC, restrições nas variáveis de estado e de controle podem ser consideradas durante o cálculo da lei de controle de uma forma bastante direta. Além disso, o MPC gera implicitamente uma lei de controle que respeita as condições de Brockett. Como o modelo do robô é não linear, é necessário um algoritmo de MPC não linear (NMPC). Dois objetivos são estudados: (1) estabilização em um ponto e (2) rastreamento de trajetória. Através de extensivos resultados de simulação, é mostrada a eficácia da técnica. Referente ao primeiro problema, é feita uma análise comparativa com algumas leis clássicas de controle de robôs móveis, mostrando que o MPC aplicado aqui apresenta uma melhor performance com relação às trajetórias de estado e de controle. No problema de rastreamento de trajetória, é desenvolvida uma técnica linear, alternativa ao NMPC, utilizando linearizações sucessivas ao longo da trajetória de referência, a fim de diminuir o esforço computacional necessário para o problema de otimização. Para os dois problemas, análises referentes ao esforço computacional são desenvolvidas com o intuito de mostrar a viabilidade das técnicas de MCP apresentadas aqui em uma implementação real.

A Informatização da saúde no Brasil: uma análise multi-paper inspirada na teoria ator-rede

As tecnologias da informação e comunicação (TIC) estão presentes nas mais diversas áreas e atividades cotidianas, mas, em que pesem as ações de governos e instituições privadas, a informatização da saúde ainda é um desafio em aberto no Brasil. A situação atual leva a um questionamento sobre as dificuldades associadas à informatização das práticas em saúde, assim como, quais efeitos tais dificuldades têm causado à sociedade Brasileira. Com objetivo de discutir as questões acima citadas, esta tese apresenta quatro artigos sobre processo de informação da saúde no Brasil. O primeiro artigo revisa a literatura sobre TIC em saúde e baseado em duas perspectivas teóricas – estudos Europeus acerca dos Sistemas de Informação em Saúde (SIS) nos Países em Desenvolvimento e estudos sobre Informação e Informática em Saúde, no âmbito do Movimento da Reforma Sanitária –, formula um modelo integrado que combina dimensões de análise e fatores contextuais para a compreensão dos SIS no Brasil. Já o segundo artigo apresenta os conceitos e teóricos e metodológicos da Teoria Ator-Rede (ANT), uma abordagem para o estudo de controvérsias associadas às descobertas científicas e inovações tecnológicas, por meio das redes de atores envolvidos em tais ações. Tal abordagem tem embasado estudos de SI desde 1990 e inspirou as análises dois artigos empíricos desta tese. Os dois últimos artigos foram redigidos a partir da análise da implantação de um SIS em um hospital público no Brasil ocorrida entre os anos de 2010 e 2012. Para a análise do caso, seguiram-se os atores envolvidos nas controvérsias que surgiram durante a implantação do SIS. O terceiro artigo se debruçou sobre as atividades dos analistas de sistema e usuários envolvidos na implantação do SIS. As mudanças observadas durante a implantação do sistema revelam que o sucesso do SIS não foi alcançado pela estrita e técnica execução das atividades incialmente planejadas. Pelo contrário, o sucesso foi construído coletivamente, por meio da negociação entre os atores e de dispositivos de interessamento introduzidos durante o projeto. O quarto artigo, baseado no conceito das Infraestruturas de Informação, discutiu como o sistema CATMAT foi incorporado ao E-Hosp. A análise revelou como a base instalada do CATMAT foi uma condição relevante para a sua escolha durante a implantação do E-Hosp. Além disso, descrevem-se negociações e operações heterogêneas que aconteceram durante a incorporação do CATMAT no sistema E-Hosp. Assim, esta tese argumenta que a implantação de um SIS é um empreendimento de construção coletiva, envolvendo analistas de sistema, profissionais de saúde, políticos e artefatos técnicos. Ademais, evidenciou-se como os SIS inscrevem definições e acordos, influenciando as preferências dos atores na área de saúde.

Análise e desenvolvimento de controladores preditivos multivariáveis baseados em multi-modelos bilineares

This work addresses issues related to analysis and development of multivariable predictive controllers based on bilinear multi-models. Linear Generalized Predictive Control (GPC) monovariable and multivariable is shown, and highlighted its properties, key features and applications in industry. Bilinear GPC, the basis for the development of this thesis, is presented by the time-step quasilinearization approach. Some results are presented using this controller in order to show its best performance when compared to linear GPC, since the bilinear models represent better the dynamics of certain processes. Time-step quasilinearization, due to the fact that it is an approximation, causes a prediction error, which limits the performance of this controller when prediction horizon increases. Due to its prediction error, Bilinear GPC with iterative compensation is shown in order to minimize this error, seeking a better performance than the classic Bilinear GPC. Results of iterative compensation algorithm are shown. The use of multi-model is discussed in this thesis, in order to correct the deficiency of controllers based on single model, when they are applied in cases with large operation ranges. Methods of measuring the distance between models, also called metrics, are the main contribution of this thesis. Several application results in simulated distillation columns, which are close enough to actual behaviour of them, are made, and the results have shown satisfactory

Identificação fuzzy-multimodelos para sistemas não lineares

This paper presents a new multi-model technique of dentification in ANFIS for nonlinear systems. In this technique, the structure used is of the fuzzy Takagi-Sugeno of which the consequences are local linear models that represent the system of different points of operation and the precursors are membership functions whose adjustments are realized by the learning phase of the neuro-fuzzy ANFIS technique. The models that represent the system at different points of the operation can be found with linearization techniques like, for example, the Least Squares method that is robust against sounds and of simple application. The fuzzy system is responsible for informing the proportion of each model that should be utilized, using the membership functions. The membership functions can be adjusted by ANFIS with the use of neural network algorithms, like the back propagation error type, in such a way that the models found for each area are correctly interpolated and define an action of each model for possible entries into the system. In multi-models, the definition of action of models is known as metrics and, since this paper is based on ANFIS, it shall be denominated in ANFIS metrics. This way, ANFIS metrics is utilized to interpolate various models, composing a system to be identified. Differing from the traditional ANFIS, the created technique necessarily represents the system in various well defined regions by unaltered models whose pondered activation as per the membership functions. The selection of regions for the application of the Least Squares method is realized manually from the graphic analysis of the system behavior or from the physical characteristics of the plant. This selection serves as a base to initiate the linear model defining technique and generating the initial configuration of the membership functions. The experiments are conducted in a teaching tank, with multiple sections, designed and created to show the characteristics of the technique. The results from this tank illustrate the performance reached by the technique in task of identifying, utilizing configurations of ANFIS, comparing the developed technique with various models of simple metrics and comparing with the NNARX technique, also adapted to identification

Uma abordagem comportamental para inserção de robôs em ambientes culturais

In this work, we propose methodologies and computer tools to insert robots in cultural environments. The basic idea is to have a robot in a real context (a cultural space) that can represent an user connected to the system through Internet (visitor avatar in the real space) and that the robot also have its representation in a Mixed Reality space (robot avatar in the virtual space). In this way, robot and avatar are not simply real and virtual objects. They play a more important role in the scenery, interfering in the process and taking decisions. In order to have this service running, we developed a module composed by a robot, communication tools and ways to provide integration of these with the virtual environment. As welI we implemented a set of behaviors with the purpose of controlling the robot in the real space. We studied available software and hardware tools for the robotics platform used in the experiments, as welI we developed test routines to determine their potentialities. Finally, we studied the behavior-based control model, we planned and implemented alI the necessary behaviors for the robot integration to the real and virtual cultural spaces. Several experiments were conducted, in order to validate the developed methodologies and tools

Multi-resolução com fóvea móvel para redução e abstração de dados em tempo real

We propose a new approach to reduction and abstraction of visual information for robotics vision applications. Basically, we propose to use a multi-resolution representation in combination with a moving fovea for reducing the amount of information from an image. We introduce the mathematical formalization of the moving fovea approach and mapping functions that help to use this model. Two indexes (resolution and cost) are proposed that can be useful to choose the proposed model variables. With this new theoretical approach, it is possible to apply several filters, to calculate disparity and to obtain motion analysis in real time (less than 33ms to process an image pair at a notebook AMD Turion Dual Core 2GHz). As the main result, most of time, the moving fovea allows the robot not to perform physical motion of its robotics devices to keep a possible region of interest visible in both images. We validate the proposed model with experimental results

Controlador preditivo generalizado multi-modelo aplicado ao controle de pressão arterial

Postsurgical complication of hypertension may occur in cardiac patients. To decrease the chances of complication it is necessary to reduce elevated blood pressure as soon as possible. Continuous infusion of vasodilator drugs, such as sodium nitroprusside (Nipride), would quickly lower the blood pressure in most patients. However, each patient has a different sensitivity to infusion of Nipride. The parameters and the time delays of the system are initially unknown. Moreover, the parameters of the transfer function associated with a particular patient are time varying. the objective of the study is to develop a procedure for blood pressure control i the presence of uncertainty of parameters and considerable time delays. So, a methodology was developed multi-model, and for each such model a Preditive Controller can be a priori designed. An adaptive mechanism is then needed for deciding which controller should be dominant for a given plant

Localização de robôs móveis autônomos utilizando fusão sensorial de odometria e visão monocular

The development and refinement of techniques that make simultaneous localization and mapping (SLAM) for an autonomous mobile robot and the building of local 3-D maps from a sequence of images, is widely studied in scientific circles. This work presents a monocular visual SLAM technique based on extended Kalman filter, which uses features found in a sequence of images using the SURF descriptor (Speeded Up Robust Features) and determines which features can be used as marks by a technique based on delayed initialization from 3-D straight lines. For this, only the coordinates of the features found in the image and the intrinsic and extrinsic camera parameters are avaliable. Its possible to determine the position of the marks only on the availability of information of depth. Tests have shown that during the route, the mobile robot detects the presence of characteristics in the images and through a proposed technique for delayed initialization of marks, adds new marks to the state vector of the extended Kalman filter (EKF), after estimating the depth of features. With the estimated position of the marks, it was possible to estimate the updated position of the robot at each step, obtaining good results that demonstrate the effectiveness of monocular visual SLAM system proposed in this paper

Um estudo do aumento da capacidade de sistemas 3g WCDMA usando técnicas 3.5G de expansão do enlace reverso

The introduction of new digital services in the cellular networks, in transmission rates each time more raised, has stimulated recent research that comes studying ways to increase the data communication capacity and to reduce the delays in forward and reverse links of third generation WCDMA systems. These studies have resulted in new standards, known as 3.5G, published by 3GPP group, for the evolution of the third generation of the cellular systems. In this Masters Thesis the performance of a 3G WCDMA system, with diverse base stations and thousand of users is developed with assists of the planning tool NPSW. Moreover the performance of the 3.5G techniques hybrid automatic retransmission and multi-user detection with interference cancellation, candidates for enhance the WCDMA uplink capacity, is verified by means of computational simulations in Matlab of the increase of the data communication capacity and the reduction of the delays in the retransmission of packages of information

Controle dinâmico de robôs móveis com acionamento diferencial

This work addresses the dynamic control problem of two-wheeled differentially driven non-holonomic mobile robot. Strategies for robot positioning control and robot orientating control are presented. Such strategies just require information about the robot con¯guration (x, y and teta), which can be collected by an absolute positioning system. The strategies development is related to a change on the controlled variables for such systems, from x, y and teta to s (denoting the robot linear displacement) and teta, and makes use of the polar coordinates representation for the robot kinematic model. Thus, it is possible to obtain a linear representation for the mobile robot dynamic model and to develop such strategies. It is also presented that such strategies allow the use of linear controllers to solve the control problem. It is shown that there is flexibility to choice the linear controller (P, PI, PID, Model Matching techniques, others) to be implemented. This work presents an introduction to mobile robotics and their characteristics followed by the control strategies development and controllers design. Finally, simulated and experimental results are presented and commented

Sistema de navegação para robôs móveis autônomos

The main task and one of the major mobile robotics problems is its navigation process. Conceptualy, this process means drive the robot from an initial position and orientation to a goal position and orientation, along an admissible path respecting the temporal and velocity constraints. This task must be accomplished by some subtasks like robot localization in the workspace, admissible path planning, trajectory generation and motion control. Moreover, autonomous wheeled mobile robots have kinematics constraints, also called nonholonomic constraints, that impose the robot can not move everywhere freely in its workspace, reducing the number of feasible paths between two distinct positions. This work mainly approaches the path planning and trajectory generation problems applied to wheeled mobile robots acting on a robot soccer environment. The major dificulty in this process is to find a smooth function that respects the imposed robot kinematic constraints. This work proposes a path generation strategy based on parametric polynomials of third degree for the 'x' and 'y' axis. The 'theta' orientation is derived from the 'y' and 'x' relations in such a way that the generated path respects the kinematic constraint. To execute the trajectory, this work also shows a simple control strategy acting on the robot linear and angular velocities

Planejamento cooperativo de tarefas em um ambiente de futebol de robôs

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um método de coordenação e cooperação para uma frota de mini-robôs móveis. O escopo do desenvolvimento é o futebol de robôs. Trata-se de uma plataforma bem estruturada, dinâmica e desenvolvida no mundo inteiro. O futebol de robôs envolve diversos campos do conhecimento incluindo: visão computacional, teoria de controle, desenvolvimento de circuitos microcontrolados, planejamento cooperativo, entre outros. A título de organização os sistema foi dividido em cinco módulos: robô, visão, localização, planejamento e controle. O foco do trabalho se limita ao módulo de planejamento. Para auxiliar seu desenvolvimento um simulador do sistema foi implementado. O simulador funciona em tempo real e substitui os robôs reais. Dessa forma os outros módulos permanecem praticamente inalterados durante uma simulação ou execução com robôs reais. Para organizar o comportamento dos robôs e produzir a cooperação entre eles foi adotada uma arquitetura hierarquizada: no mais alto nível está a escolha do estilo de jogo do time; logo abaixo decide-se o papel que cada jogador deve assumir; associado ao papel temos uma ação específica e finalmente calcula-se a referência de movimento do robô. O papel de um robô dita o comportamento do robô na dada ocasião. Os papéis são alocados dinamicamente durante o jogo de forma que um mesmo robô pode assumir diferentes papéis no decorrer da partida

Desenvolvimento de um Sistema de Visão Global para uma Frota de Mini-Robôs Móveis

Navigation based on visual feedback for robots, working in a closed environment, can be obtained settling a camera in each robot (local vision system). However, this solution requests a camera and capacity of local processing for each robot. When possible, a global vision system is a cheapest solution for this problem. In this case, one or a little amount of cameras, covering all the workspace, can be shared by the entire team of robots, saving the cost of a great amount of cameras and the associated processing hardware needed in a local vision system. This work presents the implementation and experimental results of a global vision system for mobile mini-robots, using robot soccer as test platform. The proposed vision system consists of a camera, a frame grabber and a computer (PC) for image processing. The PC is responsible for the team motion control, based on the visual feedback, sending commands to the robots through a radio link. In order for the system to be able to unequivocally recognize each robot, each one has a label on its top, consisting of two colored circles. Image processing algorithms were developed for the eficient computation, in real time, of all objects position (robot and ball) and orientation (robot). A great problem found was to label the color, in real time, of each colored point of the image, in time-varying illumination conditions. To overcome this problem, an automatic camera calibration, based on clustering K-means algorithm, was implemented. This method guarantees that similar pixels will be clustered around a unique color class. The obtained experimental results shown that the position and orientation of each robot can be obtained with a precision of few millimeters. The updating of the position and orientation was attained in real time, analyzing 30 frames per second