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Fil: Assumpção, João Paulo Franco. Universidad Estadual de Campinas. Facultad de Ingeniería Civil, Arquitectura y Urbanismo; Brasil. Fil: Cuperschmid, Ana Regina Mizrahy. Universidad Estadual de Campinas. Facultad de Ingeniería Civil, Arquitectura y Urbanismo; Brasil. En vista del difícil acceso a áreas remotas, edificios, sitios y sitios arqueológicos, las aeronaves no tripuladas (UA), aparecen como una alternativa menos invasiva para obtener información in loco. El uso de UAs ha sido recurrente en el área de Arquitectura, Ingeniería, Construcción y Operación (AECO) debido a la facilidad de uso y la posibilidad de integración con los más diversos sensores (cámaras, GPS, proximidad, etc.), brindando a los usuarios una nueva perspectiva del proyecto. Otra tecnología que se ha explorado en AECO es la Realidad Aumentada (AR), ya que permite la inserción de elementos virtuales en el entorno físico en tiempo real. Considerando las posibilidades de estas tecnologías, este artículo tiene como objetivo mapear investigaciones que buscan el uso simultáneo de UA y RA y discutir las oportunidades que esta asociación ofrece para AECO. Para el mapeo, se realizó una Revisión Sistemática. Solo se identificaron algunas investigaciones en el área de AECO, lo que indica un campo de conocimiento aún poco explorado. El aporte de esta investigación es investigar el uso de la RA junto con los UAS aplicados a AECO, destacando las brechas en el tema y señalando tendencias y oportunidades para los procesos de diseño, construcción, mantenimiento y operación de edificios. Considering the difficult access to remote areas, buildings, places and archaeological sites, unmanned aircrafts (AUs), also known as drones, emerge as a less invasive alternative to obtaining information from such sites. The employment of UAs has been recurrent in the field of Architecture, Engineering, Construction and Operation (AECO) due to ease of use, access to previously unreachable areas and the possibility of integration with the most diverse sensors (cameras, GPS, proximity, etc.), giving users a new perspective of the project. Another technology explored in AECO is Augmented Reality (AR) because it allows the insertion of virtual elements in the physical environment in real time. Considering the possibilities of these technologies, this article maps research that seeks the simultaneous use of UAs and AR and discuss the opportunities that this association offers for AECO. For mapping, a Systematic Literature Review was conducted. Only a few studies were identified in AECO, indicating a field of knowledge that should be explored. This research contribution is the investigation of the emerging research about AR with UAS applied to AECO, highlighting the gaps in the theme and the opportunities for building design, construction, maintenance, and operation processes. Tendo em vista o difícil acesso a áreas remotas, construções, locais e sítios arqueológicos, as aeronaves não tripuladas (unmanned aircrafts, UAs), também conhecidas como drones, surgem como uma alternativa menos invasiva para obter informações de tais locais. A utilização de UAs tem sido recorrente na área de Arquitetura, Engenharia, Construção e Operação (AECO) devido a facilidade de uso e a possibilidade de integração com os mais diversos sensores (câmeras, GPS, proximidade etc.), dando aos usuários uma nova perspectiva do projeto. Outra tecnologia que tem sido explorada em AECO é a Realidade Aumentada (RA), pois possibilita a inserção de elementos virtuais no ambiente físico em tempo real. Considerando as possibilidades dessas tecnologias, este artigo tem por objetivo mapear as pesquisas que buscam o uso simultâneo de UAs e RA e discutir as oportunidades que esta associação oferece para AECO. Para o mapeamento, foi realizada uma Revisão Sistemática da Literatura (RSL). Foram identificadas somente algumas pesquisas na área de AECO, indicando um campo de conhecimento ainda pouco explorado. A contribuição desta pesquisa está em investigar a utilização de RA juntamente com UAS aplicada à AECO, evidenciando as lacunas do tema e apontando as tendências e oportunidades para os processos de projeto, construção, manutenção e operação de edificações.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O interesse em relação às pesquisas sobre veículos aéreos não tripulados (VANTs) vem aumentando de forma significativa nos últimos anos. O quadrotor é um tipo de VANT que possui diversas vantagens e aplicações. O acoplamento dinâmico e o comportamento altamente não linear impõem um caráter desafiador ao controle dessas aeronaves. Neste trabalho, sistemas nebulosos são usados para obter controladores não lineares capazes de resolver problemas de rastreamento de trajetória. Duas abordagens foram desenvolvidas: uma usando sistemas nebulosos como aproximadores universais para projeto de controladores nebulosos adaptativos diretos, em que uma nova proposta usando diferenciador robusto e exato é usada para estimar parâmetro não conhecido da lei de adaptação e algoritmo genético para otimizar os parâmetros encontrados com a sintonia manual; outra usando transformação do produtor tensorial, técnica numérica baseada na decomposição em valores singulares de alta ordem (HOSVD), para encontrar um modelo nebuloso que aproxima o modelo do quadrotor, e, de posse dele, desenvolver um controlador PDC (compensação paralela distribuída) com estabilidade exponencial. The interest in research of unmanned aerial vehicles (UAVs) has increased significantly in recent years. The quadcopter is a type of UAV that has several advantages and applications. The dynamic coupling and the highly nonlinear behavior impose a challenging character to the control of these aircrafts. In this project, fuzzy systems are used to obtain non-linear controllers capable of solving trajectory tracking problems. Two approaches were developed: first using fuzzy systems as universal approximators for designing direct adaptive fuzzy controllers, in which a new proposal using a robust and exact differentiator is used to estimate an unknown adaptation law parameter and genetic algorithm to optimize the parameters found with manual tuning; another using tensor product transformation, a numerical technique based on higher order singular value decomposition (HOSVD), to find a fuzzy model that approximates the quadcopter model, and, in possession of it, develop a PDC (parallel distributed compensation) controller with exponential stability.

A crescente implementação de veículos aéreos não tripulados, habitualmente denominados de Drones ou Veículos Aéreos Não Tripulados (UAV’s), no presente quotidiano, tanto civil como militar, demonstra que esta recente indústria em emergente crescimento veio para ficar. Áreas como a cinematografia, o transporte de bens, a vigilância e segurança, demonstram algumas das aplicações que esta tecnologia acomoda. As forças armadas conseguem através destes aparelhos promover diversas ações de intelligence, surveillance e ataque evitando expor vidas ao perigo, diminuindo assim a quantidade de potenciais baixas em serviço. Exemplo destes feitos foram observados durante a guerra contra o terrorismo no Afeganistão, onde eram utilizados UAVs no apoio às operações executadas por unidades de forças especiais, e auxiliando durante essas missões servindo de "Big Brother", oferecendo um constante olhar sobre a Área de Operações. Para a Marinha de Guerra Portuguesa, o emprego destas aeronaves para as missões de fiscalização marítima poderá tornar-se uma mais-valia. Estas poderão realizar uma filtragem inicial das embarcações no mar, promovendo a compilação do panorama e a maximização dos esforços de vistoria. Para as missões de Busca e Salvamento estes meios de suporte aéreo poderão manter uma patrulha constante sobre as áreas de tráfego mais denso, interesse nacional, auxiliando na obtenção da situação operacioanl, podendo acelerar o início das buscas. Assim a investigação vai incidir no estudo da viabilidade de um dispositivo de aeronaves ao longo da costa, semelhante ao já existente dispositivo naval padrão. Para tal, serão efetuadas análises ao tráfego marítimo ao longo da costa portuguesa, às zonas de pesca, bem como, uma análise aos acidentes marítimos em função das capacidades dos Drones existentes. The growing implementation of unmanned aerial vehicles, usually called Drones or UAVs, in the present day, both civilian and military worlds, shows that this recent emerging industry is has come to stay. Areas such as cinematography, transport of goods, surveillance and security are some of the applications of this technology. The armed forces can through these devices promote their actions of reconnaissance and security, without the need to expose lives to danger, thus decreasing the number of potential casualties in service. Examples of these achievements were observed during a war against terrorism in Afghanistan, where Unmanned Aerial Vehicles help with the reconnaissance of the area of operations before special units were employed, and assisting during these missions by serving as "Big Brother", taking a constant look at the Operations Area. In the Portuguese Navy, the use of these aircraft for maritime control missions may become an asset. These can be used to perform an initial filtering of vessels at sea, promoting the compilation of the area of operations an helping maximization of the inspection efforts. For search and rescue missions, these means of air support, which maintain a constant patrol over the areas of interest, and used to formulate a first operational situatuion when a man overboard alarm is triggered, can accelerate the start of searches. Thus, this investigation will focus on studying the feasibility of creating an aircraft schema along the coast similar to the already existing standard naval schema. To achieve that, an analysis will be made to the maritime traffic along the Portuguese coast, of fishing and merchant traffic as an analysis to the number of maritime accidents and men overboard; depending on the capabilities of existing Drones

Submitted by Maria João Antunes (mariajoao@fd.ul.pt) on 2021-12-22T17:00:53Z No. of bitstreams: 1 ulfd0149616_tese.pdf: 1092093 bytes, checksum: f71cace5b4512962588b7c71a6009d09 (MD5) Made available in DSpace on 2021-12-22T17:01:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ulfd0149616_tese.pdf: 1092093 bytes, checksum: f71cace5b4512962588b7c71a6009d09 (MD5) Previous issue date: 2021-07-30

Submitted by Maria João Antunes (mariajoao@fd.ul.pt) on 2021-12-22T16:45:27Z No. of bitstreams: 1 ulfd0149614_tese.pdf: 1720010 bytes, checksum: b112a91c825476dc247e820361b67647 (MD5) Made available in DSpace on 2021-12-22T16:45:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ulfd0149614_tese.pdf: 1720010 bytes, checksum: b112a91c825476dc247e820361b67647 (MD5) Previous issue date: 2021-07-30

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Thinking about the global and local demand to increasing renewable energy share, a concern of this century, this research presents an outstanding workflow for the advancement of photovoltaic (PV) energy and smart and solar cities. The methodology allows producing and analyzing spatial information that can guide and accelerate sustainable energy transitions, making them more feasible, intelligent, social engaged, and affordable. The paradisiacal Fernando de Noronha Island (PE, Brazil) (FNI) was chosen as the study area because it predominantly depends on imported diesel to produce power, which results on an electrical matrix with higher costs and environmental impacts. Despite being a common reality for small and isolated islands, it is a paradoxical situation since FNI has great potential for generating wind and solar energy, is protected by environmental law, has high-standard tourism and sustainable development plans, and is internationally recognized by its extraordinary nature. To estimate the PV potential of each roof and open area, which are respectively the locations for the installation of decentralized and centralized PV systems, initially, an unmanned aerial vehicle (UAV) photogrammetric survey was performed to generate an orthophoto (GSD of 5.3 cm) and a digital surface model (DSM) (GSD of 50 cm). In sequence, the DSM was used to produce the solar irradiation model of the Environmental Protected Area of FNI, which was calibrated for local climatic conditions, and then used as a basis for estimating the individual and total photovoltaic potential of the available surfaces. The analysis resulted on a Total Combined PV Potential of 118.6 GWh/yr. For the 1272 buildings identified, the Total Decentralized PV Potential was 51.6 GWh/yr, and for the 26 open areas, the Centralized PV Potential was 67.0 GWh/yr. To demonstrate the application of this information in the context of planning PV transitions and solar cities, based on the analysis of the PV potentials, 9 energy transition scenarios were suggested, combining decentralized and centralized sources in different proportions to produce 20.2 GWh/year, in an integrated way. In addition to considering the location and photovoltaic potential of possible surfaces, these transition scenarios consider real factors that limit decentralized production, such as the percentage of buildings that will adopt PV systems (25%, 50%, 75%) and the roof area occupied by PV systems (10%, 25%, 50%). For example, in scenario “I” (greater use of decentralized sources), 22.0 GWh/yr of PV energy can be produced within rooftops, with centralized plants not being necessary. In scenario “A” (greater use of centralized sources), rooftops can produce 1.7 GWh/yr, requiring 18.5 GWh/yr, or 66443 m² of centralized PV energy. Depending on the degree of decentralization, the cost estimated for a PV transition varies between 550 and 2160 thousand US dollars. Finally, FNI has sufficient PV potential to achieve the transition, being able to combine centralized and decentralized production in different proportions. Pensando na demanda global e local de aumentar a participação de energias renováveis, uma preocupação deste século, esta pesquisa apresenta um fluxo de trabalho de destaque para o avanço da energia fotovoltaica (PV) e cidades solares. A metodologia permite gerar e analisar informações espaciais que podem guiar e acelerar transições energéticas sustentáveis, tornando-as mais viáveis, inteligentes e econômicas. A paradisíaca Ilha de Fernando de Noronha (PE, Brasil) foi escolhida como área de estudo pois depende predominantemente da importação de diesel para produzir eletricidade e, em consequência disto, possui uma matriz elétrica de altos custos e impactos ambientais. Apesar de ser uma realidade comum para ilhas pequenas e isoladas, é uma situação paradoxal visto que FNI possui grande potencial para geração de energia eólica e solar, é um ambiente com leis de proteção ambiental, turismo de alto padrão, planos de desenvolvimento e sustentabilidade, e natureza reconhecida internacionalmente. Para estimar o potencial PV de cada telhado e área aberta, que são respectivamente os locais para instalação de fontes PV descentralizadas e centralizadas, inicialmente foi realizado levantamento fotogramétrico com drone para gerar uma ortofoto (GSD de 5.3 cm) e um modelo digital de superfície (DSM) (GSD de 50 cm). Em sequência, utilizou-se o DSM para produzir o modelo de irradiação solar na APA de FNI, que foi calibrado para condições climáticas locais, e depois serviu de base para estimar o potencial PV individual e total das possíveis superfícies. Os resultados da análise apontam que o Potencial PV Total Combinado é de 118,6 GWh/ano, sendo que para as 1272 edificações identificadas o Potencial PV Total Descentralizado é de 51,6 GWh/ano, e para as 26 áreas abertas o Centralizado é 67,0 GWh/ano. Para demonstrar a aplicação dessas informações para o planejamento de transições PV, com base na análise dos potenciais estimados, foram sugeridos 9 cenários de transição energética que combinam em diferentes proporções as fontes descentralizadas e centralizadas, para produzir de forma integrada 20.2 GWh/ano. Além de considerar a localização e o potencial PV das possíveis superfícies, estes cenários de transição consideram fatores reais que limitam a produção descentralizada, como a porcentagem de construções que vão adotar os sistemas PV (25%, 50%, 75%) e a área de telhado ocupada para produção PV (10%, 25%, 50%). Por exemplo, no cenário “I” (maior uso da produção descentralizada) pode-se produzir 22,0 GWh/ano nos telhados, sendo desnecessário usinas PV centralizadas. No cenário “A” (maior uso da produção centralizada), 1,7 GWh/ano podem ser produzidos em telhados, requirindo pelo menos 18,5 GWh/ano, ou 66443 m² de produção PV centralizada. Dependendo do grau de descentralização, o custo estimado para uma transição fotovoltaica varia entre 550 e 2160 milhares de dólares americanos. Por fim, FNI tem suficiente potencial PV para alcançar a transição, podendo combinar a produção centralizada e descentralizada em diferentes proporções.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O presente trabalho trata do uso dos drones como suporte ao planejamento territorial participativo levando em conta os processos relativos à produção de dados espaciais e à geovisualização, entendida como a visualização da informação geográfica. A pesquisa foi construída por meio da realização de estudos de caso que atuam nesses dois eixos de investigação: o da técnica, quando são realizados testes do equipamento, dos métodos de coleta e de processamento de dados, visando compreender o nível de qualidade dos produtos gerados e, consequentemente, as aplicações plausíveis a partir deles; e o da geovisualização, quando são realizados testes de uso dos produtos gerados, sobretudo os modelos tridimensionais e as fotografias aéreas, visando compreender se há ganhos em geovisualização que podem, consequentemente, contribuir para uma melhor condição de participação cidadã em processos de planejamento territorial compartilhado. Ao total são apresentados nove estudos de caso que foram realizados em seis diferentes áreas de estudo, sendo cinco delas localizadas em Belo Horizonte/MG e uma na região Emilia-Romagna, na Itália. Os estudos buscaram testar o uso da ferramenta drone para diferentes escalas e com diferentes objetivos, partindo do modelamento 3D de alto detalhe de um edifício, passando pela construção de bases de dados espaciais e modelamento 3D para a escala de bairros, até a representação de grandes paisagens por meio de fotografias aéreas com perspectiva oblíqua. Os resultados mostram a grande flexibilidade de uso da ferramenta para a coleta de dados e para a representação de objetos territoriais nas três escalas testadas e o nível de qualidade dos dados é destacado em função do baixo custo e praticidade empregado na sua produção. No que tange à geovisualização, a utilização de modelos 3D realísticos de navegação dinâmica contribuiu para uma melhor compreensão da informação espacial retratada, favorecendo o diálogo entre os participantes de oficinas de Geodesign. Isso é explicado em função da variação da perspectiva de visualização dos dados que torna mais simples a tarefa de visualização da informação espacial, o que serviu de base, também, para a proposição das representações das Unidades de Paisagem por meio de fotografias aéreas. As experiências apresentadas podem servir como referência para uma grande gama de estudos de geografia e áreas correlatas, sobretudo no que tange à utilização de geotecnologias como meios de representação do espaço para fins de o planejamento territorial. The present work deals with the use of drones to support participatory territorial planning, considering the processes related to the production of spatial data and geovisualization, intended as the visualization of geographic information. The research is built in two lines of investigation: a technical one, where tests are performed on equipment and methods of data collection and processing, in order to understand the level of quality of the products generated and their plausible applications; a geovisualization one, where tests are performed on the use of the generated products, especially three-dimensional models and aerial photographs, in order to understand whether there are gains in geovisualization that can contribute to better participation of the citizen in the territorial planning processes. Nine case studies are presented, which are carried out in six different areas, five are in Belo Horizonte / MG and one in Emilia-Romagna / Italy. These studies aim to test the use of the drone in several cases: from the high-detail 3D modeling of a building, through the construction of spatial databases and 3D modeling for the neighborhood scale, up to the representation of large landscapes through aerial photographs with an oblique perspective. The results show the great flexibility of the tool for data collection and the representation of territorial objects in the three tested scales. The quality of the data is highlighted by the low cost and practicality used in its production. In geovisualization, the use of realistic 3D models of dynamic navigation contributed to a better understanding of the spatial information represented, favoring the dialogue between the participants of Geodesign workshops. The variation in data visualization perspective makes visualizing spatial information simpler, and this is the base for proposing the representations of the Landscape Units through aerial photographs. These studies can serve as a reference base for a wide range of geography insight and related areas, especially regarding the use of geotechnologies as a way of representing space for territorial planning.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior INCT – Instituto nacional de ciência e tecnologia (Antigo Instituto do Milênio) FAPESP - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo As the use of unmanned aerial vehicles (UAVs) is increasing, new techniques for motion planning, navigation and control are being developed. Both military and civilian applications usually require a UAV to be able to estimate its own pose, process the information provided by the environment, and follow a given trajectory autonomously. Besides, some tasks such as surveillance, terrain mapping and convoy protection require long endurance. For those tasks, the use of a fixed-wing UAV is highly recommended due to its greater endurance when compared to rotary-wing UAVs. This work presents a strategy for solving the problem of guiding and controlling a UAV to follow a closed curve while avoiding dynamic obstacles. The proposed strategy can be divided into two parts. In a top layer, a vector field strategy is used which alternates between two forms: a vector field to converge to and circulate the target curve, and one to avoid obstacles along the UAV path. For a lower layer, a feedback linearization controller is proposed, in which a linear Model Predictive Control (MPC) is used as the auxiliary control law to make the UAV follow the references provided by the vector fields. Simulations using Matlab and the entire UAV model, with 6 degrees of freedom and 12 states, demonstrate the efficiency of the proposed strategy for different scenarios. Results obtained using an embedded computational system demonstrate that the proposed strategy is feasible to be implemented on a physical platform. À medida que o uso de veículos aéreos não tripulados (VANTs) vem aumentando, novas técnicas de planejamento de movimento, navegação e controle são desenvolvidas. Aplicações militares e civis geralmente requerem que um VANT seja capaz de estimar sua própria pose, processar as informações fornecidas pelo ambiente e seguir uma determinada trajetória de forma autônoma. Além disso, algumas tarefas como vigilância, mapeamento de terreno e proteção de comboio exigem uma longa vida útil em termos de consumo de energia. Nestas situações, o uso de um VANT de asa-fixa é altamente recomendado devido à sua maior autonomia quando comparado aos VANTs de asa rotativa. Este trabalho apresenta uma solução para o problema de guiar e controlar um VANT de asa-fixa para seguir uma curva fechada enquanto desvia de obstáculos dinâmicos. A estratégia proposta pode ser dividida em duas partes. Em uma camada superior é utilizada uma estratégia de campos vetoriais que alterna entre duas formas: um campo vetorial para convergir e circular a curva alvo, e um para desviar dos obstáculos no caminho do VANT. Para a camada inferior é proposto um controle de linearização por realimentação, onde a lei de controle auxiliar é projetada através de um MPC (Model Predictive Control) linear para fazer com o que o VANT siga as referências fornecidas pelos campos vetoriais. Simulações utilizando Matlab e o modelo completo do VANT, com 6 graus de liberdade e 12 estados, demonstram a eficiência da estratégia proposta para diferentes cenários. Resultados obtidos utilizando um sistema computacional embarcado demonstram que a estratégia proposta é factível de implementação em uma plataforma física.

Orientadores: Lucas Heitzmann Gabrielli; Fabiano Luis de Sousa Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Os Radares de Abertura Sintética, SAR, tornaram-se uma ferramenta poderosa de sensoriamento remoto durante os últimos 25 anos. Eles são transportados por satélites, aeronaves e drones. Os produtos mais relevantes são tridimensionais e projetados em um sistema cartográfico: mapas topográficos, temáticos e de detecção de mudanças. O projeto SAR é multidisciplinar: propagação de ondas eletromagnéticas, componentes de antena e radiofrequência, conversão analógico-digital, hardware de processamento em tempo real, navegação inercial e por satélite, algoritmos de processamento de sinal, geocodificação e projeção de sistema cartográfico, algoritmos de valor agregado e geração de mapas de diversos tipos e finalidades. Isso torna o design de ponta a ponta complexo e é difícil estabelecer uma visão geral da cadeia do sistema. Uma nova abordagem de otimização de sistema é apresentada para o projeto de SAR embarcados em drones. O design começa com os requisitos do usuário de alto nível e se divide nos diversos subsistemas mencionados acima. A modelagem detalhada dos subsistemas e seus relacionamentos são considerados. Um exemplo de otimização de projeto é dado pelo sistema de caso de drones de baixo payload para levantamento de dados para agricultura, mineração e monitoramento de florestas e plantação de arroz. Opera em três bandas com cross-track e interferometria diferencial. São apresentados os resultados e a validação de pesquisas regulares e verdades de campo Abstract: Synthetic Aperture Radars, SAR, became a powerful remote sensing tool during the last 25 years. They are carried by satellites, aircrafts and drones. Most relevant products are three dimensional and projected on a cartographic system: topographic, thematic and change-detection maps. The design of a SAR is multidisciplinary: electromagnetic wave propagation, antenna and radio frequency components, analog-to-digital conversion, real-time processing hardware, inertial and satellite navigation, signal processing algorithms, geocoding and cartographic system projection, value-added algorithms and generation of maps of several types and purposes. It makes the end-to-end design complex and difficult to establish an overview of the entire system chain. A new system optimization framework is presented for the design of SAR in drone-borne cases. The design starts with the high-level user requirements and breaks down to the several subsystems mentioned above. The detailed modeling of the subsystems and their relationships are considered. A project optimization example is given by the design of a low weight drone borne system for farming, mining, and rain forest and rice monitoring. It operates in three bands with Cross-track and Differential Interferometry. Results and validation from regular surveys and ground truths are presented Doutorado Telecomunicações e Telemática Doutora em Engenharia Elétrica CAPES 88882.329430/2019-01

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais O número de Aeronaves Remotamente Pilotadas (RPA - Remotely Piloted Aircraft), popularmente conhecidas como drones, operando nos céus de centros urbanos tem aumentado significativamente, o que representa um aumento no risco de impacto entre este tipo de veículo e uma aeronave tripulada, seja este evento intencional ou não. De forma a melhor compreender os fenômenos envolvidos em um impacto entre a RPA e a asa de um avião comercial, o presente trabalho busca reproduzir o evento através de simulações numéricas e compará-lo a situações que envolvam impacto de pássaro, considerando os requisitos existentes atualmente. Inicialmente, são feitas simulações para validar o modelo numérico de um pássaro com dimensões conforme estipula o requisito RBAC 25.571 (e). Uma vez validado o modelo do pássaro, ele é utilizado para fazer o dimensionamento inicial do bordo de ataque da asa de uma aeronave comercial. Posteriormente, faz-se a validação de modelos numéricos dos componentes mais rígidos de uma RPA, para que, uma vez conectados, eles possam representar o drone completo em simulações de impacto. O bordo de ataque da asa inicialmente dimensionado com o pássaro é então submetido ao impacto com o modelo completo da RPA, de forma a comparar cenários envolvendo tanto o pequeno veículo aéreo quanto o animal. Os resultados mostram que o impacto com a RPA é mais crítico devido ao fato de sua estrutura ser formada por componentes mais duros e rígidos, os quais induzem esforços mais concentrados e de maior magnitude. De forma a continuar garantindo a segurança de voo após um impacto com a RPA em estudo, são avaliados reforços na estrutura do bordo de ataque da asa. Ao final, constata-se que as propostas em que foram posicionados reforços na longarina e a proposta de uma estrutura adicional atrás do revestimento foram capazes de garantir a continuidade do voo após o impacto, embora tenham representado um aumento de 13% e 10% na massa da asa da aeronave, respectivamente. During last years, the number of Unmanned Aircraft Systems (UAS), popular known as drones, operating in the sky of urban centers has quite increased, which represents an increase in the risk of an airborne impact, intentionally or not, between these vehicles and manned aircrafts. In a way to better understand the impact between an UAS and a commercial aircraft wing phenomena, the present work reproduces the event by means of numerical simulation and compare it with situations involving bird impact considering the current requirements. Initially, simulations are performed to validate the numerical model of a bird with dimensions as stipulated on requirement RBAC 25.571(e). Once the bird model is validated, it is used to perform the initial dimensioning of a wing fixed leading edge in a commercial aircraft. Posteriorly, it is performed the numerical models validation of the UAS most stiffened components, so they could be connected and represent the complete drone in an impact simulation. The wing fixed leading edge initially designed with the bird strike is subjected then to an impact with the UAS complete model in order to compare both scenarios involving the small aerial vehicle and animal. Results confirms that the UAS impact is more critical due to its structure that is composed by harder and more stiffened materials, which induces higher and more concentrated loads in the impacted structure. In order to grant the flight safety after an impact with the UAS evaluated, reinforcements are assessed in the wing fixed leading edge structure. Finally, it is found that reinforcements positioned in the spar and the use of an additional structure placed behind the skin are capable to grant the flight safety after impact, although both proposals induce a mass increase in the wing structure of 13% and 10%, respectively.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O objetivo deste trabalho é analisar a problemática acerca da utilização dos veículos aéreos não tripulados remotamente controlados, conhecidos popularmente como drones, munidos de armamento letais ou não letais, sendo usados em atividade de segurança pública, em especial em operações policiais, apresentando uma proposta para a limitação e regulação para tais armas. Esta pesquisa identifica os limites necessários que o Direito deve impor para a implementação dessa nova tecnologia, de modo que não seja violado nenhum direito e garantias fundamentais. Além disso, questiona em quais situações é razoável e justificável a aplicação desses equipamentos. Mesmo existindo regulamentos da ANATEL, da ANAC e do DECEA que disciplinem o uso de drones, tais diretrizes não são apropriadas para regulamentar o emprego de drones pelos órgãos de segurança pública. Outras normas do ordenamento jurídico brasileiro também não dispõem de aparato conceitual adequado para lidar com esta nova tecnologia. À vista disso, esta matéria precisa ser regulada a partir de uma previsão em lei específica. Somente será lícito o uso de um drone armado em uma atividade policial se existir ao menos um agente presente no local. No caso de drone munido com arma não letal, antes de empregá-lo o policial deverá requerer uma autorização ao seu supervisor; logo, mesmo sem prévia autorização, será permitida a utilização. Porém, o emprego do drone munido com arma letal apenas será legítimo se o policial obtiver uma permissão para o uso. This work aims to analyze the problem regarding the use of remotely controlled unmanned aerial vehicles, popularly known as drones, armed with lethal or non-lethal weapons, being used in public security activities, especially in police operations, presenting a proposal for the limitation and regulation for such weapons. This research identifies the necessary limits that the Law must impose for the implementation of this new technology, so that no fundamental rights or guarantees are violated. In addition, it questions in which situations it is reasonable and justified to use this type of equipment. Even though there are regulations from ANATEL, ANAC and DECEA that regulate the use of drones, such guidelines are not appropriate to regulate the use of drones by public security agencies. Other norms of the Brazilian legal system also lack an adequate conceptual apparatus to deal with this new technology. Considering this scenario, the matter needs to be regulated based on a provision by a specific law. The use of an armed drone in a police activity will only be lawful if there is at least one officer present at the scene. In the case of a drone equipped with a non-lethal weapon, before using it, the police officer must request authorization from their supervisor; therefore, even without prior authorization, the use will be allowed. However, the use of a drone armed with a lethal weapon will only be legitimate if the police officer obtains permission to use it.

Submitted by Maria Fernanda Leite (leitem@stj.jus.br) on 2021-01-29T17:15:07Z No. of bitstreams: 2 impacto_nuevas_teconologias_rodriguez.pdf: 466771 bytes, checksum: 15b3e7c0d0b7480f0f3e2216f9412371 (MD5) license.txt: 1239 bytes, checksum: c9b4c351324448672315a00808efb725 (MD5) Approved for entry into archive by Stephanie Moira (rsmoira@stj.jus.br) on 2021-02-09T20:07:44Z (GMT) No. of bitstreams: 2 impacto_nuevas_teconologias_rodriguez.pdf: 466771 bytes, checksum: 15b3e7c0d0b7480f0f3e2216f9412371 (MD5) license.txt: 1239 bytes, checksum: c9b4c351324448672315a00808efb725 (MD5) Made available in DSpace on 2021-02-09T20:07:44Z (GMT). No. of bitstreams: 2 impacto_nuevas_teconologias_rodriguez.pdf: 466771 bytes, checksum: 15b3e7c0d0b7480f0f3e2216f9412371 (MD5) license.txt: 1239 bytes, checksum: c9b4c351324448672315a00808efb725 (MD5) Previous issue date: 2020 Analisa como os avanços tecnológicos revolucionaram a investigação criminal, como leitores de placas e sistemas de reconhecimento facial. Debate como o uso de algumas dessas ferramentas tecnológicas pode afetar gravemente os direitos fundamentais. Foca em dois métodos mais invasivos e polêmicos: a técnica de monitoramento por meio de sistemas de geolocalização e uso de drones na vigilância policial.

Os motores brushless estão cada vez mais presentes em nossas vidas e para tirar o melhor proveito dos mesmos é importante conhecer o seu desempenho. O objetivo desse trabalho é criar uma metodologia de caracterização experimental deste tipo de motor. Como metodologia, foram feitas pesquisas acerca de trabalhos semelhantes, foi construída uma bancada de testes e um sistema de aquisição para obter os dados. As variáveis medidas foram: rotação, torque, temperatura, corrente e tensão. Além de possuir um servo motor que atua como freio tipo prony para variar a carga aplicada ao sistema. Os resultados obtidos possibilitaram a análise de funcionamento do motor. Também foi possível a concepção de um modelo matemático que representa o sistema, utilizando as informações obtidas e as equações presentes na literatura. Foi possível concluir que a bancada e a metodologia utilizada foram válidas, e que o ESC (controlador eletrônico de velocidade) é um grande limitador de eficiência dos motores. Brushless motors are increasingly present in our lives and to get the best out of them it is important to know their performance. The objective of this work is to create a methodology of experimental characterization of this type of motor. As a methodology, research was done on similar works, it was built a test bench and an acquisition system to obtain the data. The variables measured were: rotation, torque, temperature, current and voltage. In addition to possessing a servo motor that acts like brake prony type to vary the load applied to the system. The results obtained allowed the analysis of the motor performance. It was also possible to design a mathematical model that represents the system, using the information obtained and the equations present in the literature. It was possible to conclude that the bench and the methodology used were valid, and that the ESC (electronic speed controller) is a great efficiency limiter of the motors.

Recentemente, veículos aéreos não tripulados (VANTs) com asas de elevado alongamento e que voam em elevadas altitudes tornaram-se o centro das atenções da atual vanguarda tecnológica. Missões como monitoramento de fronteiras, telecomunicações, detecção de fenômenos geológicos, dentre outras, e que antes eram desempenhadas por satélites, estão em vias de serem substituídas pelo uso de VANTs, que possuem custo operacional mais baixo e podem decolar e pousar de acordo com a necessidade da missão. Neste trabalho, é apresentado um estudo onde parâmetros geométricos e operacionais são otimizados no intuito de se encontrar a asa ótima para que tanto a autonomia quanto o alcance em voo sejam maximizados. Para a avaliação aerodinâmica, foi implementado o método Multhopp para o cálculo dos coeficientes aerodinâmicos e cargas na asa. Foram analisados três formatos de asa, sendo eles retangular, trapezoidal e bi-trapezoidal. Seus parâmetros geométricos foram otimizados, mantendo a mesma área em planta. A análise concentrou-se em avaliar o desempenho aerodinâmico e estrutural para um projeto mais eficiente e que atenda aos requisitos de voo. Os resultados apresentados mostraram ganhos relevantes em desempenho, em termos de autonomia e alcance, nas asas trapezoidais e bi-trapezoidais quando comparados às asas retangulares. Portanto, são promissores para o projeto de asas de elevado alongamento a serem aplicadas em veículos aéreos não tripulados (VANTs) Recently, unmanned aerial vehicles (UAVs) with high aspect ratio wings that flies at high altitudes have become the focus of the current technological development. Missions such as border monitoring, telecommunications, detection of geological phenomena, and others that were previously carried out by satellites are in the process of being replaced by the use of UAVs, which have a lower operating cost and can take off and land according to the mission requirements. In this work, the wing geometry and operational parameters are optimized in order to find the optimal wing shape for maximum endurance and maximum range conditions. For the aerodynamic evaluation, the Multhopp Method was used to calculate the lift coefficients and wing loads. Three wing formats were analyzed: rectangular, tapered and bi-tapered. Its geometric parameters were optimized, maintaining the same planform area. The analyses focused on evaluate both aerodynamic and structural performance for a more efficient design that meets flight requirements. The results presented showed significant gains in performance, in terms of endurance and range, in the tapered and bi-tapered wings when compared to rectangular wings, and are promising for the design of high aspect ratio wings to be applied in unmanned aerial vehicles (UAVs)

Programa de Pós-Graduação em Instrumentação, Controle e Automação de Processos de Mineração. Departamento de Engenharia de Controle e Automação, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto. A inspeção dos rolos de um transportado de correias é uma tarefa crítica para a indústria da mineração, e vem sendo realizada da mesma maneira a mais de vinte anos, extremamente dependente da experiência das pessoas envolvidas e sujeita a avaliações subjetivas. No caso do Terminal Marítimo de Ponta da Madeira, as falhas em rolos são responsáveis por 325, 5 horas de paradas indesejadas. O presente trabalho faz uma breve revisão bibliográfica dos transportadores de correia, passando pelos modos de falhas em rolamentos e meios de identificação dos defeitos e apresenta os princípios básicos da termografia infravermelho e processamento de imagens. É proposto então um método para a identificação dos defeitos com o uso de um drone com uma câmera térmica embarcada. O uso do drone possibilitará o acesso rápido à grande quantidade de rolos e a câmera térmica coletará os dados necessários para o processamento de imagens e identificação de defeitos. Foram então testados dois algoritmos para a identificação da região dos rolos, o Viola & Jones e o Canais de Características Agregados (ACF) de Piotr Dollar. Onde o último atingiu melhores resultados com taxas de falsos negativos de até 5%, demonstrando a robustez da abordagem para esse fator que é considerado crítico para a identificação dos rolos. Entre as contribuições em destaque estão os algoritmos para a identificação dos rolos, o banco de imagens nomeadas e a estruturação de um procedimento para a termografia infravermelho com uso de drones para a inspeção de rolos. The task of assessing the rollers of a belt conveyor is critical for the mining industry and has been carried out in the same way for over twenty years, extremely dependent of the people involved and their experience, and so, exposed to subjective assessment. For example, on the Terminal Marítimo de Ponta da Madeira, rollers failures are responsible for 325, 5 hours of unwanted stops. The present work makes a brief bibliographical review of the belt conveyors, also presents the failure modes in bearings, means to identify it and discourse the basics principles of infrared thermography and image processing. A method is then proposed for the identification of defective rollers with the use of a drone with an embedded thermal camera. The use of the drone will enable quick access to a large number of rolls and the thermal camera will collect the data needed for image processing and defect identification. Two algorithms, Viola & Jones and Piotr Dollar Aggregated Charge Channels (ACF), were then tested to recognize the rollers region. The ACF approach achieved better results with false negative rates up to 0, 05, showing be robust to a factor considered critical for identification of the rollers. Among the contributions, the most relevant are the algorithms to identify the rollers, the dataset of labeled images and the procedure for the infrared thermography with the use of drones for the inspection of rollers.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2018. O projeto de sistemas ciberfísicos (CPS) é considerado uma atividade complexa, sendo composto por diferentes fases, essenciais para sua concepção. Neste sentido, a definição detalhada das fases de projeto se faz necessária, visando facilitar o projeto das aplicações e auxiliar na representação das suas características. Algumas dessas fases têm ampla discussão por parte da comunidade da engenharia, tais como o desenvolvimento dos sistemas de controle, por exemplo. Outras, no entanto, têm um menor grau de detalhamento, ou seja, as atividades que devem ser desenvolvidas não são amplamente discutidas ou detalhadas, dificultando a sua aplicação. Dentre estas temos a especificação dos subsistemas de sensoriamento e atuação, integração de processos de verificação formal, entre outras. Essas etapas, apesar de menos discutidas, também são essenciais no escopo do desenvolvimento dos CPS, pois suportam a especificação e validação de propriedades das aplicações, assim como são responsáveis pela integração da aplicação com o ambiente de atuação. No projeto dos CPS, um número considerável de métodos de desenvolvimento está disponível na literatura, visando guiar os desenvolvedores nas tarefas de modelagem, porém eles não apresentam adequado nível de detalhamento para as atividades supracitadas. Nesse contexto, este trabalho propõe o desenvolvimento de um método integrado que auxilie no processo de modelagem e integração dos CPS, mais especificamente dos Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs). O método proposto busca integrar os processos de modelagem funcional, de arquitetura, integração de sensores e atuadores e verificação formal, contribuindo no projeto do sistema embarcado, bem como na interface com o conjunto de sensores e atuadores, culminando, consequentemente, na construção das aplicações. O método proposto é baseado na engenharia dirigida a modelos (MDE) e sua abordagem busca permitir a construção automatizada dos modelos, garantindo a manutenção das características da aplicação durante todo o processo de desenvolvimento, permitindo a integração dos modelos gerados e auxiliando na validação das propriedades do sistema. Aliadas ao método proposto, duas ferramentas foram desenvolvidas, denominadas ECPSModeling e ECPSVerifier. Estas têm por objetivo dar suporte ao processo de desenvolvimento. O ECPSModeling opera na transformação do modelo funcional para o modelo de arquitetura, permitindo a integração das características de sensores e atuadores. Já o ECPSVerifier atua na extração do comportamento do sistema, transformando o modelo de arquitetura em um modelo de comportamento representado por autômatos temporizados, permitindo a aplicação da técnica de verificação formal model checking. Visando detalhar o método proposto e as ferramentas desenvolvidas, esses são aplicados ao projeto de um VANT birotor na configuração Tilt-rotor. Dessa forma, objetiva-se municiar o processo de desenvolvimento dos CPS, em especial dos VANTs, descrevendo suas principais fases de desenvolvimento. Abstract : The design of a Cyber-Physical System (CPS) is defined as a complex activity, being composed of a set of design phases devoted to model application characteristics. In this sense, detailing the phase characteristics is required in order to help the design teams during the project design, and to aim the support of the correct application characteristics representation. However, despite some of these phases, such as the control systems design, being discussed at length by the engineering community, other phases have less detailed studies, i.e., the design activities that compose these phases are not so well documented. In these sense, it is required more experience from the design teams to perform activities such as, the sensing and actuation subsystems representation, and the integration of formal verification methods on the design process, among others. Despite the lack of information related to them, these phases are essential to the CPS design, by the fact that they support application characteristics representation and the properties validation, as well as, they also provide the integration between designed system and their environment. Regarding the CPS design process, different methods are available in the literature, aiming to guide the designers to perform the modeling tasks. However, these approaches do not provide enough information related to those described activities. In this context, this thesis proposes an integrated method applied to CPS design, more specifically devoted to the Unmanned Aerial Vehicles (UAV) design. That proposed method aims to integrate different modeling processes such as functional, architectural, sensor and actuator integrations, and formal verification design processes. Based on the proposed activities this method aims to support the UAV embedded system design, and allow the integration between the embedded platform and the set of system devices. The Model Driven Engineering (MDE) is used as basis to the proposed approach, and aims to support the automated model generation based on the application characteristics. It is intended to ensure the maintainability of the system information over all the design steps and provide the property evaluation and validation, considering the model transformation principles. Two different tools are designed with the proposed method, the ECPSModeling and the ECPSVerifier, for supporting the design activities. The ECPSModeling provides the transformation process from functional model to architectural model, in order to integrate sensor and actuator characteristics. On the other hand, the ECPSVerifier provides the CPS behavior representation, based on the architectural model, by using timed automatas, which allows the formal verification evaluation by performing model checking. The proposed method and the designed tools are applied on the project of a tilt-rotor UAV design. The details of the method proposed in this thesis are demonstrated by performing the UAV project, described as a case study.

As tarefas de classificação de falhas e reconfiguração de controle em processos ou sistemas são áreas em que a pesquisa está em crescente desenvolvimento, e essa expansão pode ser associada a sua característica preventiva que junto a um controle robusto previne perdas tanto materiais quanto humanas. Nesse contexto, este trabalho apresenta uma nova proposta de abordagem adaptativa para classificação de falhas e reconfiguração ativa de controle em sistemas dinâmicos, baseada em duas etapas: na primeira etapa a abordagem proposta utiliza métodos clássicos para classificação de falhas, na segunda etapa propõe-se variações em reconfiguração de controle em sistemas dinâmicos a partir de dados de identificação da falha. Para verificar a eficiência da abordagem, ela foi aplicada em um modelo de drone quadrimotor com falha em um dos motores, contextualizada como a queda de potência neste. Dessa forma, os resultados obtidos pelo sistema de reconfiguração são comparados com controladores utilizados apenas em operação normal, com uma ênfase na variável altura. De modo geral, a abordagem proposta obteve bons resultados, o que sugere que a mesma é promissora para realizar as tarefas de classificação de falhas e reconfiguração de controle de sistemas dinâmicos. The tasks of fault classification and reconfiguration of control in processes or systems are areas in whichresearch is in increasing development, and this expansion can be associated with its preventive charac-teristic that together with a robust control prevents both material and human losses. In this context, thiswork presents a new proposal of adaptive approach for classification of failures and active reconfigura-tion of control in dynamic systems, based on two steps: In the first step, the proposed approach uses classic methods for classifying failures; in the second stage, it proposes variations in control reconfigu-ration in dynamic systems from data of fault identification. To verify the efficiency of the approach, itwas applied in a four-engine drone model with failure in one of the engines, contextualized as the poweroutage in this. Thus, the results obtained, through simulation without Matlab software, by rewriting sys-tem are compared with controllers used only in normal operation, with an emphasis on varying height.In general, the proposed approach has obtained good results, suggesting that it is promising to performthe tasks of classification of failures and reconfiguration of control of dynamic systems.

A navegação de um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) baseada emimagens pode ser tratada como um problema de otimização. É necessário determinar basicamente quatro parâmetros do VANT: posição latitudinal e longitudinal, rotação e altitude. A escolha dos valores mais apropriados para estes parâmetros determina o melhor casamento entre as imagens registrada pelo VANT e a georreferenciadado satélite e, consequentemente, no menor erro de estimação da suatrajetória. Atualmente, o principal sistema de navegação utilizado é o GPS, no entanto, há alguns fatores que limitam a utilização desta tecnologia, sendo, então, necessárias outras alternativas para tornar a navegação segura, con-fiável e autônoma. A abordagem mais comum é utilizar um módulo de visão computacional para auxiliar a navegação do VANT. Quando a altitude e rotação do VANT são desconhecidas ou muito imprecisas, uma alternativa à técnica geralmente adotada, o template matching, é o uso de métodos de otimização. Amplamente utilizados na área médica, porém ainda pouco explorados na navegação autônoma de VANTS, os métodos de otimização podem ser usados para estimar a posição do VANT com uma medida de dissimilaridade como função objetivo dos métodos para realizar o casamento entre as imagens. Neste trabalho foram utilizados métodos de otimização determinísticos eestocásticos, medidas de dissimilaridade contínuas baseadas em intensidade e discretas baseadas em extração de características, e imagens reais obtidas de sensores distintos de diferentes tipos de terreno (urbano, rural e litorâneo). A proposta deste trabalho é avaliar a utilização de métodos de otimização na navegação autônoma de VANTs baseada em imagens em relação à precisão, acurácia e ao tempo de processamento. A aplicação dos métodos de otimização mostrou-se promissora, principalmente, por permitir estimar variáveis como a rotação e a altitude e pela possibilidade de paralelização dos algoritmos. Além disso, foi possível identicar os métodos de otimização e as medidas de dissimilaridade mais apropriados para serem utilizados em aplicações práticas. The image-based navigation of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) canbe treated as an optimization problem. It's necessary to determine basically four UAV's parameters: latitudinal and longitudinal position, rotation and height. The choice of the most suitable values for these parameters determines the better matching between UAV's registered images and the georeferenced satellite images and, consequently, the smaller estimation error of its trajectory. Nowadays, the main navigation system used is GPS, however there are some factors that limit the use of this technology, so other alternatives are necessary to make navigation safe, reliable and autonomous. The most common approach is to use a computer vision module to aid the navigation of the UAV. When the UAV's rotation and height are unknown or very imprecise, an alternative to the commonly adopted technique, template matching, is the use of optimization methods. Widely used in the medical eld, but still little explored in the UAV's autonomous navigation, optimization methods can be used to estimate the UAV's position with a dissimilarity measure as an objective function of the methods to perform the matching between the images. In this work, deterministic and stochastic optimization methods were used, continuous dissimilarity measures based on intensity and discrete based on extraction of characteristics, and real images obtained from distinct sensors of dierent terrain types (urban, rural and coastal).The purpose of this work is to evaluate the use of optimization methodsin the UAV's image-based autonomous navigation in relation to precision,accuracy and processing time. The application of the optimization methods proved to be promising, mainly because it allows to estimate variables such as rotation and altitude and the possibility of parallelization of the algorithms. Moreover, it was possible to identify the optimization methods and the dissimilarity measures most appropriate to be used in practical applications.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2017 Este trabalho fundamenta e demonstra o uso de drones na captura de imagens para a geração das informações geométricas, assim com auxilio de estação topográfica para obtenção dos dados, usados como referência para a Modelagem da Informação da Construção (Building Information Modeling - BIM) da edificação de um dos blocos da Universidade Estadual de Santa Catarina. O trabalho foi realizado a partir do estudo teórico sobre a realização de experimentos para comparação de dados coletados. As analises teóricas estão relacionadas a fundamentos de projetos arquitetônicos, nível de detalhamento gerado, estudos realizados, uso de métodos de processamento da "nuvem de pontos" e pesquisa sobre uso da tecnologia BIM na edificação existente. Os procedimentos experimentais consistiram no estudo de programas para processamento de "nuvens de pontos" e de ferramenta DAC (Desenho assistido por computador)/BIM, visando avaliar os produtos gerados em comparação com a realidade construída. A modelagem do prédio do Centro de Ciências Humanas e da Educação - FAED (no programa Autodesk Revit 2018, permitiu o teste de métodos de trabalho associando às finalidades e características específicas do modelo, aos diferentes níveis de detalhamento e precisão, com uso integrado de levantamento, gerando a documentação necessária. ABSTRACT: This work supports and demonstrates the use of drones in the capture of images for the generation of geometric information, with the aid of a topographic station to obtain the data, used as reference for the Building Information Modeling (BIM) of the building Of one of the blocks of the State University of Santa Catarina. The work was carried out from the theoretical study on the accomplishment of experiments to compare data collected. The theoretical analyzes are related to the fundamentals of architectural projects, level of detail generated, studies carried out, use of "cloud of points" processing methods and research on the use of BIM technology in the existing building. The experimental procedures consisted in the study of programs for the processing of "point clouds" and of DAC (computer aided design) / BIM tool, in order to evaluate the generated products in comparison with the constructed reality. The modeling of the building of the Center for Human Sciences and Education - FAED (in the Autodesk Revit 2018 program, allowed the testing of work methods associating with the specific purposes and characteristics of the model, the different levels of detail and precision, with integrated survey use , Generating the necessary documentation.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017. Este trabalho apresenta um estudo sobre a utilização de veículos aéreos não tripulados (VANTs) em sistemas de vigilância. O uso de VANTs tem se mostrado eficiente em substituir métodos tradicionais de trabalho, muitas vezes reduzindo custos de operação, riscos à vida, ou mesmo possibilitando atividades antes inviáveis. É realizada a modelagem do quadrirotor convencional e de dois veículos aéreos híbridos (com dois e quatro rotores inclináveis), os quais possuem características construtivas e operacionais desejáveis do ponto de vista da aplicação. Os veículos carregam câmeras acopladas às suas estruturas através de um mecanismo gimbal que lhes proporciona mobilidade adicional para o apontamento e captura de imagens de alvos que se movem em solo. Os modelos são obtidos utilizando a formulação de Euler-Lagrange, considerando tanto a dinâmica do veículo e seus rotores inclináveis quanto a de um gimbal duplo na configuração Az-El, através do qual a câmera é integrada. Para um dos veículos, o VANT híbrido com dois rotores inclináveis, uma lei de controle não linear é empregada, visando o rastreamento de trajetórias relativas à posição e direcionamento do VANT, além de capacitar o sistema a manter um alvo na linha de visão da câmera. A lei de controle consiste em uma estratégia em cascata, onde na malha mais interna é tratada a dinâmica de inclinação dos rotores, seguida de uma malha de controle das variáveis relativas à rotação do VANT e apontamento da câmera, sendo que em ambas é executada uma linearização por realimentação estática de estados, finalizando com o controle do subsistema de translação na malha externa. Verifica-se, perante simulação, o rastreamento das trajetórias desejadas mesmo na presença de distúrbios externos. Abstract : This work presents a study about the use of unmanned aerial vehicles (UAVs) in surveillance systems. The use of UAVs has been shown to be efficient in replacing traditional work methods, often reducing operating costs, risks to life or even making possible formerly impracticable activities. It is performed the modeling of the conventional quadrotor and two hybrid aerial vehicles (with two and four tiltable rotors), which have desirable constructive and operational characteristics from the point of view of the application. The vehicles carry cameras coupled to their structures through a mechanism (gimbal) that provides them additional mobility for pointing and capture images of targets that move on the ground. The models are obtained using the Euler-Lagrange formulation, considering both the vehicle dynamics and its tiltable rotors as well as the double gimbal in the Az-El configuration, through which the camera is integrated. For one of the vehicles, the hybrid UAV with two tiltable rotors, a nonlinear control law is employed, aiming the trajectories tracking related to the UAV position and heading, besides to empower the system to maintain a target in the camera's line of sight. The control law consists of a cascade strategy, where in the innermost loop the rotors tilt dynamics is treated, followed by a control loop of the variables related to the UAV rotation and camera pointing, in which both execute a static feedback linearization, finalizing with the control of the translation subsystem in the external loop. It is verified, through simulation, the tracking of the desired trajectories even in the presence of external disturbances.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017 A obtenção de energia elétrica de fontes renováveis vem substituindo o uso de combustíveis fósseis, que são finitos e poluem. O avanço em tecnologias de semicondutores nos últimos 60 anos favorece a obtenção de energias renováveis alternativas, tais como fotovoltaica e eólica. Essas tecnologias já representam uma parcela de 6,6 \% da produção na matriz energética brasileira. O uso de energia renovável, porém, não se limita apenas a rede elétrica convencional; é possível utilizar tal fonte de energia para alimentar motores que impulsionam veículos. Neste trabalho a energia fotovoltaica é aplicada em veículos aéreos não tripulados (VANTs). Em alguns casos, a energia solar capturada pode prover 100\% da energia necessária para um VANT realizar uma missão, porém, em outros casos a mesma é usada para aumentar seu tempo de voo. Buscando uma alternativa para aumentar a autonomia de um VANT do tipo VTOL-CP (do inglês, Vertical Take-Off and Landing Convertible Plane), em desenvolvimento no projeto ProVANT, este trabalho propõe a utilização de células fotovoltaicas nas asas e fuselagem da aeronave para obtenção de energia elétrica. Com essa finalidade, é desenvolvido um sistema de gerenciamento de energia fotovoltaica, que tem por objetivo captar a energia solar durante o voo utilizando células fotovoltaicas, processá-la com um conversor de corrente contínua do tipo boost de três níveis e um algoritmo rastreador do ponto de máxima potência, fornecer essa energia ao barramento de alimentação da aeronave e estimar o estado de carga do banco de baterias. Para tal, é analisado, projetado e experimentado cada componente do sistema. Com os resultados experimentais deste trabalho e de dados de consumo, obtidos por simulação do VTOL-CP, é estimado o aumento de autonomia de modo a validar a proposta apresentada. Abstract: Renewable energy sources have been replacing fossil fuels for electricity generation over the last years. Over the past 60 years, the technological advances in the semiconductors industry have contributed to increase researches on this field. Regarding the photovoltaic and wind energy sources, nowadays these power sources represent 6,6\% of produced energy in Brazil. However, these power sources solutions are not limited to the electric grid usage. The renewable energy sources can be applied for example, to provide energy for vehicles motors, or on the aircraft projects. Regarding the aircraft projects, more specifically the Unmanned Aerial Vehicles (UAV), the renewable energy can be applied on these projects as the main energy source in order to fulfill the missions. However, in others cases, this power source can applied to increase the flight endurance. In this context, in this work the solar energy is applied to a UAV project. In this way, its evaluated how to increase the flight endurance of a vertical take-off and landing convertible-plane. This work presents a hypothesis of electricity obtainment by the use of photovoltaic cells in the aircraft structure. The project was conducted in the context of ProVant project that aims to design autonomous aircrafts. A management system it was proposed to handle the photovoltaic energy, aiming to capture the solar energy using these cells, process it in a three-level DC-DC boost converter with a maximum power point tracking algorithm. The generated energy is conducted to a battery pack, and its state of charge is estimated. In order to provide a complete solution, this subsystem it was analyzed, designed and submitted to a set of validation tests. The experimental results coupled with UAV energy consumption information were used to estimate the flight time increase, as well as validating the initial hypothesis.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017. Abstract : This work presents the design, implementation, and testing of a Brain-Computer Interface (BCI) system based on µ-waves to control the navigation of a drone. BCI systems perform the translation of brain signals into commands to communicate with external applications. The µ rhythm is a type of brain signal response to motor activity which can be easily measured by electroencephalography (EEG). For this reason, µ-waves based BCI systems have been extensively explored in the literature as a way of enabling patients with compromised neuromotor functions to interact with the outside world. To implement the signal processing and application interface routines, a software platform was built based on well-established filter and classification techniques, such as the Common Spatial Patterns (CSP) and the Linear Discriminant Analysis (LDA). For interfacing with the drone, an algorithm for translating the classifier outputs into drone commands was proposed. In addition, the acquisition of brain waves was performed by a low-cost and open-hardware EEG amplifier called OpenBCI. The validation of the designed system was performed using public and an acquired motor imagery EEG datasets, which were supplied to the platform to simulate the real-time performance of the system. The tests, conducted in a drone simulator, demonstrated the correct operation of the proposed methodology and the designed system. Este trabalho apresenta o projeto, implementação e teste de um sistema de Interface Cérebro Máquina (BCI) baseado em ondas µ para o controle da navegação de um drone comercial. Sistemas BCI realizam a tradução dos sinais cerebrais em comandos que podem ser usados para ativação e controle de aplicações externas. O ritmo µ é um tipo de resposta cerebral que é modulado através da atividade motora e pode ser facilmente medido através de eletroencefalografia (EEG). Por este motivo, sistemas BCI baseados em ondas µ tem sido extensivamente explorados na literatura como uma forma de permitir que pacientes com sistema neuromotor comprometido interajam com o ambiente externo. Neste trabalho, uma plataforma de software foi desenvolvida para implementar as rotinas de processamento de sinal e de interface com a aplicação. Ténicas bem estabelecidas como o filtro espacial CSP e o classificador LDA foram utilizadas para realizar a de-tecção dos padrões cerebrais. Além disso, é proposta uma metodologia para traduzir o sinal de saída do classificador em comandos que podem ser diretamente enviados para o drone. Para aquisição dos sinais de EEG, um amplificador de baixo custo e open-source chamado Open-BCI foi utilizado. A implementação do sistema foi validada através de um conjunto de dados público, que foram utilizados na plataforma como forma de simular o comportamento em tempo-real do sistema. Os testes de aplicação foram conduzidos em um simulador do drone, o que demonstrou o correto funcionamento da metodologia proposta e do sistema desenvolvido.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. A análise e desenvolvimento de perfis aerodinâmicos para operação em baixas velocidades têm ganhado importância recentemente devido à crescente utilização de VANTs (Veículos Aéreos Não Tripulados) e turbinas eólicas. Nessas aplicações, o número de Reynolds característico para o escoamento sobre a asa pode ser inferior a 3·105 e o escoamento pode sofrer separação na região laminar da camada limite, formando o que se conhece por bolhas de separação laminar. O principal objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento das bolhas de separação laminar em um perfil aerodinâmico de alta sustentação por meio de simulações numéricas suportadas por medições em túnel de vento. Inicialmente, apresenta-se uma comparação entre os resultados previstos por quatro modelos de turbulência, sendo dois para escoamentos totalmente turbulentos (Spalart-Allmaras e SST k-?), e dois para escoamentos de transição (?-Re? e k-kL-?), usando o software FLUENT. Os modelos foram aplicados a um perfil Eppler 387, que foi escolhido por apresentar dados experimentais disponíveis e medidos em diferentes laboratórios, e a um perfil Selig 1223, por ser um perfil de alta sustentação e utilizado em aeronaves de baixa velocidade. Os resultados indicaram que, embora seja possível prever a evolução do coeficiente de sustentação para baixos ângulos de ataque usando qualquer um dos modelos, apenas os modelos de transição foram capazes de prever o surgimento da bolha de separação laminar, resultando em grandes diferenças no coeficiente de sustentação próximo ao ângulo de estol. Essas diferenças se tornaram particularmente relevantes para o perfil Selig 1223, que apresentou um ganho na sustentação máxima de 20 % movendo do Reynolds de 1·105 para 2·105. Em relação ao coeficiente de arrasto, os modelos de transição apresentaram uma diferença média de 10 % em relação às referências, enquanto que nos outros, essa diferença chegou a 40 % em alguns ângulos. Na sequência do trabalho, fabricou-se um perfil Selig 1223 instrumentado com tomadas de pressão em sua superfície, para medição do coeficiente de pressão ao longo de sua corda. Para visualizar o local da bolha de separação laminar, foi utilizado um óleo pigmentado. Os resultados mostraram boa concordância na previsão do coeficiente de pressão utilizando os modelos de transição e a observação com filme de óleo comprovou a posição e extensão da bolha de separação. Concluiu-se que a separação do escoamento na camada limite laminar foi a principal causa de estol no número de Reynolds de 1·105. Finalmente, estudou-se a possibilidade de eliminação da separação em regime laminar através da adição de um tubo de carbono à frente do bordo de ataque. Experimentalmente, verificou-se que, com a aplicação dessa técnica, o ângulo de estol em número de Reynolds de 1·105 aumentou de 10° para 20°. A técnica da visualização com óleo mostrou que a bolha é eliminada com o emprego do gerador de turbulência. Os modelos de transição forneceram boa comparação com as medições, sendo recomendado o seu uso nessas aplicações. Abstract : The development and analysis of airfoils for low-speed operations have recently become important because of their vast use in UAVs (Unmanned Aerial Vehicle) and wind turbines. In these applications, the characteristic Reynolds number for the flow over the wing may be as low as 3·105 and separation may occur in the laminar region of the boundary layer, forming the so-called laminar separation bubbles (LSB). The main objective of this work is to evaluate the behavior of the LSBs in a high lifting airfoil by means of numerical simulations supported by measurements in wind tunnel. Primarily, a comparison of four turbulence models is given: two for fully-turbulent flows (Spalart-Allmaras e SST k-?), and two for transitional flows (?-Re? e k-kL-?), using FLUENT software. The models were initially used in an Eppler 387 airfoil, which was chosen due to the availability of experimental data obtained in different laboratories, and then in a Selig 1223, because it is a high lifting airfoil and used in low-speed aircrafts. Results indicated that, although it is possible to predict the development of the lift coefficient for low angles of attack using anyone of the models, only the transition-sensitive models were capable of predicting the LSBs, which resulted in large differences of the lift coefficient close to the region of stall. These differences became relevant for the S1223 airfoil, which presented a maximum lift coefficient difference of 20 % when comparing the Reynolds number cases of 1·105 and 2·105. Regarding drag coefficient in comparison to the references, transition-sensitive models showed an average difference of 10 %. Fully-turbulent models achieved maximum difference of 40 %. Following the work, a Selig 1223 wing was manufactured with pressure tapping holes on the surface to measure the pressure coefficient over it chord. In order to visualize the location of the laminar separation bubble, a pigmented oil was used. Results reported good agreement in predicting the pressure coefficient using the transition-sensitive models and the observations with oil film proved the position and extension of the LSBs. It was concluded that the separation in the laminar boundary layer was the main cause of stall in the Reynolds number of 1·105. Finally, it was considered the possibility of suppressing the laminar separation by installing a carbon fiber tube in front of the leading edge. Experimentally, it was verified that this technique provided an increase in the angle of stall from 10° to 20° at a Reynold number of 1·105. The oil visualization technique showed that the bubble is suppressed with the use of the turbulence generator. Altogether, transition-sensitive models provided results in better agreement with the experimental data. Their use is recommended in these applications.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Transportes e Gestão Territorial, Florianópolis, 2017. A presente dissertação trata sobre as áreas marginais das rodovias, definições, finalidades, gerenciamento, ocupação, permissão de uso, fiscalização e alguns tópicos de jurisdição e a utilização da tecnologia VANT como instrumento de apoio a gestão e monitoramento das faixas de domínio. Reconhecendo, assim, que as rodovias cumprem um papel importante perante a sociedade e se tornam caminhos principais de pessoas, produtos e serviços. Como cidadãos usuários de rodovias Federais e Estaduais devemos observar, conscientizar e valorizar as faixas de domínios já que estas foram criadas com o intuito de auxiliar no desenvolvimento público. A Administração Pública tem por obrigação gerir e mediar os gravames evidenciados pelas conturbadas relações entre indivíduo e Estado e indivíduo e sociedade. Dentre esses poderes, o Estado manifesta-se através do Poder Executivo dando proteção jurídica as faixas de domínio. Por isso, Estado e indivíduos devem utilizar meios que possibilitem o uso, mas também, a preservação desses limites, onde um cuida da parte legislativa e outro pela consciência de bem utilizar e preservar o patrimônio público. As áreas das rodovias destinadas à segurança, futuras ampliações, uso racional etc., ou seja, a denominada Faixa de Domínio precisa ser demarcada e referenciada para sua reimplantação futura. As repercussões de ordem econômica e social se dão por conta da impossibilidade da determinação e demarcação da linha da Faixa de Domínio e, por conseguinte das propriedades marginais. Então, somente com uma metodologia segura nas técnicas de medição e cadastramento é que poderemos visualizar uma solução técnica para os órgãos envolvidos no gerenciamento e ocupação destas áreas. Sendo estas áreas bens públicos, nada mais justo que sejam tratadas como tal, e para isto devem fazer parte não apenas de um plano de governo e sim, de um plano de Estado. A utilização do VANT para diagnosticar a situação das faixas de domínio e Non Aedificandi da área em estudo demonstrou-se de grande eficácia para identificar invasões e ocupações das mesmas. A geração de imagens de maneira rápida, obtendo-se um registro fotogramétrico preciso a um custo relativamente baixo se comparado aos métodos tradicionais de levantamento topográfico, pode aumentar substancialmente os subsídios disponíveis para que os órgãos competentes possam avaliar e gerenciar as faixas de domínio e non aedificandi. Abstract : This study is about the marginal areas of the highways, its definitions and purposes, the management and occupation of this areas, permits and monitoring, besides some jurisdiction issues and the use of the Unmanned Aerial Vehicles (UAV) technology as a tool to support the management and monitoring of the highway domain range. Acknowledging the important role played by the highways in our society because they are main paths of people, products and services. As citizens and users of the State and Federal highways, we must value and observe the domain ranges and raise awareness to the fact that they were created for the purpose of assisting in public development. The Public Administration has the obligation to manage and mediate the encumbrances evidenced by the troubled relations between the individual and the State, and, the individual and the society. Among public powers, the State is represented by the Executive Power, legally protecting the domain ranges. That is why both the State and the individuals must find ways to allow its use and defend the preservation of its limits, where one of them takes care of the legislative part and the other one develops the awareness for the best use and preservation of the public property. The areas of the highways intended for safety, future extensions, rational use etc., or the, so-called, Highway Domain Range must be demarcated and referenced for its future reimplantation. The repercussions of economic and social order are due to the impossibility of the determination and demarcation of the line of the Domain Range and, consequently, the marginal properties. So, it is only with a safe methodology in measurement and registration techniques that we will be able to visualize a technical solution for the public bodies involved in the management and occupation of these areas. Since these areas are public assets, it is only fair that they be treated as such, and, because of that, they should be part, not only of a government plan but of a state plan. The use of the UAV technology to diagnose the situation of the domain area and the Non Aedificandi ranges of the studied area has proven to be very effective in identifying invasions and occupations of the areas. It quickly generates images, obtaining a precise photogrammetric record at a relatively low cost compared to traditional surveying methods. It can substantially increase the available subsidies, so that, the competent bodies can evaluate and manage the Domain Area and the Non Aedificandi.

Nesta dissertação são propostas distintas abordagens para melhorar o processo de estimação de posição geográfica através de imagens capturadas por VANTs (Veículos Aéreos Não Tripulados). Em primeiro lugar, visando fazer mais robusta a navegação autônoma destas aeronaves sem a necessidade de utilizar o sinal do GPS (Global Position System), duas novas abordagens de casamento de imagens e com baixo tempo de processamento foram desenvolvidas. A primeira utiliza um extrator de bordas canny adaptativo e a segunda utiliza limiarização. Com essas técnicas é possível dar solução aos problemas de sobrestimação de bordas e de inclusão de ruído que afetam a comparação das imagens e, consequentemente, a estimação de posição. Em segundo lugar, duas abordagens foram desenvolvidas para fazer correção de distorção projetiva, ajuste de escala, rotação e translação em imagens aéreas capturadas por VANTs quando a posição da câmera não é perpendicular a Terra. A primeira delas é uma técnica que toma como base o conhecimento prévio dos ângulos de inclinação do VANT, fornecidos pelos sensores inerciais da aeronave para obter a matriz homográfica e corrigir a imagem. Estes ángulos compõem os parâmetros de rotação da matriz homogrâfica, que é também composta por outras matrizes concatenadas que representamparâmetros intrínsecos da câmera e de translação na imagem. A segunda abordagem apresenta uma robusta correção de distorção projetiva e espectral nas imagens aéreas. Esta técnica baseia-se no casamento de pontos característicos extraídos entre a imagemcapturada pelo VANT e a imagem georeferenciada, utilizando os algoritmos SURF e MSAC para estimar os parâmetros que compõem a matriz homográfica e, desta forma, corrigir a imagem. A avaliação das abordagens propostas leva a consideração diferentes tipos de terreno(vegetação, urbano e rodovia) na aplicação dos testes. Também, é considerada a avaliação com imagens de diferentes sensores com distorção de perspectiva, escala, rotação e translação. As métricas de avaliação foram o erro da distância média na estimação de posição e tempo de processamento. Para a correção de distorção de persipectiva métricas como, o número de pontos característicos extraídos em cada uma das imagens, o número de casamentos estimados entre imagens, eficiência, recall, precisão e o tempo de processamento foram considerados. Os resultados obtidos ao longo dos diferentes testes aplicados nas técnicas são promissórios, apresentam baixo tempo deprocessamento e indicam que podem ser usadas em condições reais de voo. In this thesis, different approaches to improve the geographical position estimation process through UAV (Unmanned Aerial Vehicles) images are proposed. In first place, two new template matching approaches with low processing time were developed aiming to make a more robust autonomous navigation of the aircrafts without the need to useGPS (Global Position System) signal. The first uses an adaptive Canny edge detector and the second one uses thresholding. With these techniques, it is possible to solve the edge overestimation and the noise inclusion that affect the image comparison and, consequently, the position estimation. In second place, two approaches to correct projective distortion, scale adjustment, rotation and translation in UAV images were developed when the camera position is not perpendicular to earth. The first of them is a technique that uses the (previous) knowledge of UAV tilt angles provided by the aircraft inertial sensors to obtain the homographic matrix and correct the image. These angles compose the rotationparameters of the homographic matrix that is also composed by other concatenated matrices that representing the camera intrinsic parameters and the image translation. The second approach presents a robust correction of projective and spectral distortions in images captured by UAVs. This technique is based in the keypoints matching extractedbetween the UAV image and the georeferenced one. It also uses the SURF and MSAC algorithms in order to estimate the parameters that compose the homographic matrix and, thus, the image is corrected.The evaluation of the proposed approaches considered different land types (forest, urban and highway) in the tests application. Also, the evaluation with images obtained from different sensors with distortion of perspective, scale, rotation, and translation is considered. The evaluation metrics were the mean distance error in the position estimation and the processing time. Now, for the perspective distortion correction, metrics like the keypoints number extracted on each image, the estimated matching number between images, efficiency, recall, precision and processing time were consideiii red. The obtained results throughout the different tests applied in the techniques are promissory, have low processing time and indicate that they can be used in real flight conditions.

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CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work deals with the problem of load transportation using a tilt-rotor unmanned aerial vehicle (UAV). A tilt-rotor UAV is a hybrid aircraft capable of performing flights with improved forward speed, as fixed-wing UAVs, and vertical take-off and landing and hover, as rotary-wing UAVs. We address the problem of path tracking control of the suspended load in hover flight, in which the load must follow a desired trajectory while the tilt-rotor UAV is stabilized. The kinematics of the system are formulated from the load's perspective, from which a rigorous dynamic model is derived using the Euler-Lagrange approach. We obtain a highly coupled, nonlinear state-space representation of the system, affine in the inputs, with the load's position and orientation directly represented by state variables. This fact allows designed state-feedback control strategies to steer the trajectory of the load with respect to an inertial frame. Assuming that all the system states can be measured, we propose two linear discrete-time state-feedback control strategies to solve the problem of path tracking of the load, with constant disturbances rejection: a discrete-time linear quadratic regulator (DLQR) and a discrete-time mixed H-2/H-infinity controller with pole-placement constraints. The first one is designed through the solution of a discrete-time algebraic Riccati equation, whilst the second one is designed through Linear Matrix Inequality (LMI) approach. The nonlinear state-space equations are linearized around the reference trajectory, augmented with integral actions and further discretized in order to design the controllers. On the other hand, considering that not all the system states are available for feedback, measurements are corrupted with noise and sensors have different sampling times, we propose state estimation strategies in order to provide the entire state vector to the controllers. A linearized Kalman filter is proposed for a scenario in which only a half of the state vector is measured (position variables), corrupted with zero-mean Gaussian noise. In the second estimation strategy, a zonotopic state estimator is proposed for a scenario in which measurements are provided by sensors with different sampling times, corrupted with unknown but bounded noise. Both estimators are designed based on discretized linearized dynamic equations, augmented with external disturbances affecting the system. Numerical simulation results are presented to corroborate the good performance of the proposed strategies. Este trabalho trata o problema de transporte de carga usando um veículo aéreo não tripulado (VANT) do tipo tilt-rotor. Um VANT tilt-rotor é uma aeronave híbrida capaz de realizar voos com velocidade de cruzeiro elevada, como VANTs de asa fixa, e decolagem e pouso vertical, como VANTs de asa rotativa. Aborda-se o problema de rastreio de trajetória da carga suspensa, no qual a carga deve seguir uma trajetória desejada enquanto o VANT tilt-rotor é mantido estável. A cinemática do sistema é formulada do ponto de vista da carga, a partir da qual um modelo dinâmico rigoroso é obtido através da formulação de Euler-Lagrange. Obtém-se uma representação em espaço de estados não linear altamente acoplada e afim nas entradas, na qual a posição e a orientação da carga são diretamente representadas por variáveis de estado. Este fato permite que estratégias de controle por realimentação de estados possam conduzir a carga através de uma trajetória de referência com relação a um sistema de coordenadas inercial. Assumindo que todos os estados do sistema são medidos, duas estratégias de controle linear em tempo discreto são propostas para solucionar o problema de rastreio de trajetória da carga com rejeição a perturbações constantes: um regulador linear quadrático de tempo discreto e um controlador H-2/H-infinito misto de tempo discreto com restrições na alocação de polos. O primeiro controlador é projetado através da solução de uma equação algébrica de Riccati de tempo discreto, enquanto o segundo controlador é projetado através de uma abordagem de desigualdades matriciais lineares. As equações de estado são linearizadas em torno da trajetória de referência, aumentadas com ações integrais e discretizadas para que os controladores sejam projetados. Por outro lado, considerando que nem todos os estados estão disponíveis para realimentação, medições estão corrompidas com ruído e sensores possuem diferentes períodos de amostragem, propõe-se estratégias de estimação de estados com o intuito de fornecer todo o vetor de estados para os controladores. Um filtro de Kalman linearizado é proposto para um cenário no qual apenas a metade do vetor de estados é medida (variáveis de posição), e corrompida com ruído Gaussiano com média nula. Para a segunda estratégia de estimação propõe-se um estimador de estados zonotópico, considerando um cenário no qual as medições são fornecidas por sensores que possuem diferentes períodos de amostragem, corrompidas com ruído desconhecido porém limitado. Ambos os estimadores são projetados baseados em equações dinâmicas linearizadas e discretizadas, aumentadas com perturbações externas que afetam o sistema. Para corroborar o bom desempenho das estratégias propostas, resultados de simulação numérica são apresentados.

Este trabalho apresenta um estudo comparativo de métodos de extração de características aplicado à estimativa de posição para a navegação autônoma de VANTs. A partir do estudo inicial dos algoritmos existentes, esse trabalho também apresenta duas propostas de métodos de extração de características invariantes à transformada afim e de baixo custo computacional. A primeira proposta é uma modificação do algoritmo ASIFT. O método utiliza os dados fornecidos pelo INS para reduzir o custo computacional desse algoritmo. A segunda proposta também é baseada no princípio de invariância à transformada afim do método ASIFT, porém utiliza o método SURF para extração de possíveis pontos característicos. Os métodos propostos são comparados com SIFT, SURF e ASIFT para registo de imagens aéreas capturadas a partir de um VANT. As métricas de avaliação utilizadas no estudo comparativo para medir o desempenho dos extratores de características foram a quantidade de pontos extraídos em cada uma das imagens, a quantidade de pontos casados, o erro do casamento a partir da distância da projeção dos pontos e o custo computacional medido através do tempo de execução. Os experimentos numéricos mostraram que as propostas são capazes de melhorar a precisão e reduzir a complexidade do algoritmo ASIFT, o qual indica que podem ser usados para navegação autônoma em VANT This work presents a comparative study of feature extraction methods applied to the problem of position estimation for autonomous navigation of UAVs. Based on an initial study of the existing methods, this work also proposes two novel feature extraction algorithms invariant to the affine transformation and with a low computational cost. The first proposal is a modification of ASIFT algorithm. The method utilizes the data provided by the INS to reduce its computational cost. The second proposal is alsobased on the affine invariance property of the ASIFT algorithm, but uses the SURF method for extracting candidate feature points. The proposed methods are compared with SIFT, SURF and ASIFT to aerial images registration taken from UAVs. The evaluation metrics used in the comparative study to measure the performance of feature extractors are the amount of extracted points in each image, the amount of matched points, the distance-error of matched points, and the computational costmeasured by the time of execution. The numerical experiments showed that the proposals are able to improve the accuracy and reduce the complexity of ASIFT algorithm, which means that can be used for autonomous navigation of UAVs.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2016. O desenvolvimento de veículos aéreos não tripulados (VANTs) vem despertando um grande interesse tanto no meio acadêmico quanto na indústria nas últimas décadas. Muitos campos da robótica e da teoria de controle vem sendo explorados visando melhorar o desempenho destes sistemas. Existem vários cenários onde estas aeronaves são utilizadas, tais como monitoramento de ambientes, agricultura de precisão, busca e resgate, entre outras. Dentre as diferentes aplicações destas aeronaves temos o transporte de carga suspensa por cabo, o qual tem promovido várias pesquisas relacionadas com transporte de alimentos, medicamentos e suprimentos em geral, para zonas de risco. Neste sentido, este trabalho tem como foco o uso de VANTs em tarefas de transporte de carga, considerando perturbações externas e incertezas paramétricas. A aeronave utilizada é um birotor na configuração Tilt-rotor que carrega uma carga suspensa. Um Tilt-rotor é um veículo movimentado por dois rotores inclináveis, os quais geram e direcionam forças de impulso para sustentar a aeronave. Neste estudo, é importante que a aeronave seja capaz de seguir uma trajetória predefinida enquanto estabiliza a carga suspensa mesmo quando afetada por perturbações externas ou incertezas paramétricas. Além disso, um modelo não linear multicorpo é obtido via formulação Euler-Lagrange para o VANT Tilt-rotor considerando a carga suspensa. Neste modelo foi considerado que a aeronave é composta por quatro corpos rígidos e tem dez graus de liberdade. O problema de controle é solucionado com um controlador preditivo (MPC) incremental e um não incremental, baseados no modelo linear do erro do sistema, o qual é linearizado em torno a uma trajetória genérica. Além disso, os MPCs consideram custo terminal, com o objetivo de garantir estabilidade e por consequência reduzir o horizonte de predição. Devido ao fato do sistema linear ser variante no tempo (LVT), o custo terminal é calculado mediante desigualdades matriciais lineares (LMI). Por outro lado, restrições são impostas na formulação do MPC, relacionadas com as limitações físicas dos atuadores e considerando que o VANT está confinado numa área específica. Finalmente, simulações foram realizadas para avaliar o desempenho dos controladores propostos, considerando perturbações constantes em diferentes instantes de tempo, e levando em conta incertezas paramétricas. Abstract : The development of unmanned aerial vehicles (UAVs) has arousedgreat interest in both academia and industry in the recent decades.Many aereas of robotics and control theory have been exploited toimprove the performance of these systems. There are several scenarioswhere these aerial vehicles are used, like monitoring environment,precision agriculture, construction, search and rescue. Transportationof cable-suspended loads with UAVs is another application. This haspromoted research related to load transportation of food, medicine,and supplies in general for unsafe areas. This research is focused onthis topic, where it is necessary that the UAV follows a predenedtrajectory while stabilizing the suspended load, even if it is aectedby external disturbances. In this dissertation, two model predictivecontrollers (MPCs) are used to solve the path tracking problem of asmall scale Tilt-rotor Unmanned Aerial Vehicle (UAV) while carryinga suspended load. A Tilt-rotor is a vehicle lifted and propelled bytwo tiltable rotors, in order to control the direction of thrust forces.In the present study, it is important that the aircraft able to follow apredened trajectory while maintaining the suspended load stable evenin the presence of external disturbances and parametric uncertainties.Moreover, a rigorous multibody non-linear dynamic model is obtainedvia Euler-Lagrange formulation for the Tilt-rotor UAV with suspendedload, assuming four rigid bodies and ten degrees of freedom (DOF)of the vehicle. The control problem is solved with incremental andnon-incremental model predictive controllers, based on the linear errormodel of the system, which is linearized around a generic trajectory.Furthermore, the MPCs consider a terminal cost in order to ensurestability, allowing the prediction horizon reduction. As the linear modelis a linear time-varying (LTV) system, the terminal cost is calculatedvia linear matrix inequalities (LMI). In addition, some constraintsare imposed on the formulation, related to physical limitations of theactuators and assuming that the aircraft is conned to a particulararea. Finally, numerical simulations are performed in order to evaluatethe controllers, considering constant disturbances at dierent instantsof time, and modeling errors.

Essa dissertação apresenta a modelagem e controle de corpo completo de um manipulador aéreo, composto por um VANT do tipo quadrirrotor acoplado a um manipulador. A modelagem se baseia na álgebra de quatérnios duais para obter os modelos cinemáticos diretoe diferencial da cadeia heterogênea serialmente acoplada. O modelo dinâmico, obtido a partir da formulação de Euler-Lagrange (que utiliza o modelo cinemático), expressa a influência do movimento do manipulador no centro de massa do sistema. As leis de controleapresentadas são desenvolvidas para que o manipulador aéreo siga a trajetória desejada no nível do efetuador, enquanto se mantêm estável, mesmo na presença de distúrbios externos, incertezas paramétricas e dinâmicas não modeladas. Propõem-se três controladores, sendo todos com estrutura de controle em cascata, formados por dois níveis. No primeiro caso, tem-se no nível externo um controlador cinemático e no nível interno um controlador de dinâmica inversa. O controlador de din^amica inversa é modificado, tendo na sua malha externa um controlador cinemático no espaço da tarefa, que é o espaço onde se realiza a tarefa. No segundo caso, tem-se um controlador similar ao primeiro, mas o controlador do nível interno é obtido por meio da linearização por realimentação. Finalmente, no terceiro caso, tem-se o controlador H1 linear do modelo cinemático no nível externo e no nível interno, o controlador de dinâmica inversa. Para avaliar o desempenho das técnicas implementadas, são realizadas simulações e os resultados apresentados mostram-se aceitáveis, pois alcançou-se os objetivos propostos, que era rastrear a trajetória, com erros considerados pequenos em comparação a escala das trajetórias. Isso valida as técnicas de modelagem de corpo completo, baseada na álgebra de quatérnios duais, que deixam os movimentos fluídos e contínuos e as técnicas de controle para as características de subatuação e não linearidade. This dissertation presents the modeling and control of whole-body of aerial manipulator, composed of a quadrotor UAV coupled to a manipulator. The modeling is based on the algebra of dual quaternions to and diferential and forward kinematic models of the heterogeneous serially coupled chain. The dynamic model, obtained from the Euler-Lagrange formulation (which uses the kinematic model), expresses the inuence of the manipulator's movement in the system's center of mass. The presented control laws are developed for the aerial manipulator tracks the desired trajectory in the end-efectors level, while keeping the system stable even in the presence of external disturbances, parametricuncertainties and unmodeled dynamics. Three types of controllers are proposed, which all of them with a cascading control structure formed by two levels. In the first case, it has a kinematic controller in the outer loop and an inverse dynamics controller in the inner loop. The inverse dynamics controller is modified, having in its outer loop a kinematic controller in the task space, which is the space where it performs the task. In the second case, there is a similar controller with the first are, but the inner loop controller is obtained from feedback linearization. Finally, in the third case, there is the H1 linear controler of the outer loop's kinematic model, and in the inner loop, the inverse dynamics controller. The performance of the proposal control strategies is evaluated through simulation and the results had shown acceptable, because it caught up with the objectives of the controllers, who were tracking the trajectory with errors considered small compared to the scale of trajectories. This validates the whole-body modeling techniques based on dual quaternion algebra, that leave the uid and continuous movements and control techniques for underactuated and nonlinear system.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. Abstract : This master thesis deals with the modeling and control of a small scale birotor tiltrotor unmanned aerial vehicle (UAV). A tiltrotor is characterized by a mechanism that tilts the aircraft's rotors in order to control the flight. An UAV with such characteristics is being developed by this author and other researchers in the scope of the project named ProVANT. The developed UAV prototype is used in this work to obtain experimental results. This kind of system can be characterized by its underactuated, highly nonlinear, and coupled dynamics. Instead of using a dynamic model available in literature, this work proposes a more accurate model considering the UAV as a multibody system. By doing so the tilting angles become generalized coordinates and the tilt mechanism dynamics are naturally added to the model, as well as the coupling between the bodies. The result is an eight degrees of freedom model obtained through Euler-Lagrange formulation. The path tracking problem is solved here with linear optimal controllers for the full model, instead of the classical approach of cascade control for the translation and rotation subsystems. The developed controllers are linear quadratic regulators, a H1 controller and a multiobjective H2=H1 controller, all with LMI formulation. A nonlinear backstepping controller taken from the literature is implemented in order to be compared with the designed controllers. In addition, controllers for the hovering problem are also designed to be used in experiments with ProVANT's tiltrotor. They reduce the complexity of the initial experimental flights, focusing not only in the validation of the control system, but the complete project, including its electronics, mechanical design, and additional software. Such experiments are presented and discussed in details along this work. The work also addresses how flight-related information are gathered and processed. This includes the design of a nonlinear complementary filter for the attitude estimation that works with data acquired from the UAV sensors.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. O uso de agentes em aplicações com Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANTs) tem sido explorado nos últimos anos, principalmente como alternativa para dotar o veículo de autonomia na realização de suas missões. Este trabalho tem como objetivo desenvolver um modelo de comportamento autônomo para um VANT com o uso de um agente com arquitetura BDI, explorando sua capacidade de reagir rapidamente a mudanças em seu ambiente e de ter objetivos de longo prazo a serem cumpridos até se finalizar uma dada missão. O trabalho também busca avaliar a implementação do agente na plataforma de sistema embarcado de um VANT real, a aeronave do projeto ProVant, além de apresentar uma análise e comparação do sistema proposto, baseado em lógica de predicados, com uma abordagem usual empregando uma programação imperativa, organizada em uma sequencia de comandos e ações. Abstract : The use of agents in applications with Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) has been explored in recent years, mainly as an alternative to provide autonomy to the vehicle in carrying out their missions.This study aims to develop and evaluate a model for a UAV with the use of an agent with BDI architecture, exploring its ability to reactquickly to changes in the environment and while still having goals tobe accomplished even finish a given mission. The proposed model was implemented and embedded in a real UAV system and then compared against a usual approach employing an imperative programming.