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ANEXO 1
Universidade Federal de São Carlos
CCET - Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia
PPGEE – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Rod. Was. Luís, km 235 – Cx. Postal 676 – CEP 13.565-905
Tel.: (16) 3351-8258 E-mail: [email protected]
São Carlos / SP, 23 de junho de 2020
Ilmo. Sr.
Prof. Dr. Arlindo Neto Montagnoli – Orientador
PPGEE / UFSCar
Prezado Professor,
Informamos a V. Sa. que a constituição da Comissão Examinadora para o Exame de Qualificação
de Mestrado, na linha de pesquisa Processamento Digital de Sinais, do candidato Rafael Gialorenço
Cazú, foi aprovada pela CPGEE conforme segue:
Título do trabalho: ANÁLISE POSTURAL ESTÁTICA E DINÂMICA PARA A OBTENÇÃO DE
DADOS EM AVALIAÇÃO CLÍNICA
Data e horário: 27/07/2020, às 14:30 horas
Local: Via videoconferência
Membros efetivos:
Prof. Dr. Arlindo Neto Montagnoli – PPGEE / UFSCar (Orientador)
Prof. Dr. Samuel L. Nogueira – PPGEE / UFSCar
Prof. Dr. Ricardo A. S. Fernandes – PPGEE / UFSCar
Membros suplentes:
Prof. Dr. Giuseppe A. Cirino – PPGEE / UFSCar
Prof. Dr. Roberto S. Inoue – PPGEE / UFSCar
Atenciosamente,
Prof. Dr. Luís Alberto Mijam Barêa
Coordenador do PPGEE
ANEXO 2
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Rodovia Washington Luís, Km 235 - CEP 13565-905 - São Carlos - SP - Brasil
Fone/Fax: (016) 3351-9701 – E-mail: [email protected]
O Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) da Universidade Federal de
São Carlos (UFSCar) torna pública a Composição Final da Comissão de Seleção do Processo
Seletivo de Mestrado Regular n° 001/2020.
01 Prof. André Carmona Hernandes
02 Prof. Guilherme Guimarães Lage
03 Prof. Helder Vinicius Avanço Galeti
04 Prof. Luís Alberto Mijam Barêa
05 Prof. Márcio Peron Franco de Godoy
06 Prof. Ricardo Augusto Souza Fernandes
07 Profa. Tatiana de Figueiredo Pereira Alves Taveira Pazelli
08 Profa. Tatiane Cristina da Costa Fernandes
09 Prof. Valdinei Luís Belini
São Carlos, 29 de junho de 2020.
Coordenação do PPGEE
ANEXO 3
Última atualização realizada no dia 6/7/20 10:277/6/2020 10:27
8:00 -- 10:00 10:00 -- 12:00 14:00 -- 16:00 16:00 -- 18:00
CD: EEL-011 CD: EEL-011 CD: EEL-010 CD: EEL-010
Física dos Dispositivos Sem. Física dos Dispositivos Sem. Inserção de Fontes Alternativas em SGs Inserção de Fontes Alternativas em SGs
Turma A - Prof. Márcio Turma A - Prof. Márcio Turma A - Prof. Amílcar Turma A - Prof. Amílcar
CD: EEL-013 CD: EEL-013
Análise de Sinais Biológicos Análise de Sinais Biológicos
Turma A - Prof. Arl indo Turma A - Prof. Arl indo
CD: EEL-001 CD: EEL-001 CD: EEL-008 CD: EEL-008
Metodologia Científica Metodologia Científica Téc. de Otimimização Aplicadas a SEE Téc. de Otimimização Aplicadas a SEE
Turma A - Prof. Tatiane Turma A - Prof. Tatiane Turma A - Prof. Gui lherme Turma A - Prof. Gui lherme
CD: EEL-004 CD: EEL-004
Proc. de Sinais em Tempo Discreto Proc. de Sinais em Tempo Discreto
Turma A - Prof. Samuel Turma A - Prof. Samuel
CD: EEL-003 CD: EEL-003
Smart Grids Smart Grids
Turma A - Prof. Claudionor Turma A - Prof. Claudionor
CD: EEL-005 CD: EEL-005 CD: EEL-002 CD: EEL-002
Tóp. em Micro e Nano-Fab. de Disp. Sem. Tóp. em Micro e Nano-Fab. de Disp. Sem. Teoria Eletromagnética Teoria Eletromagnética
Turma A - Prof. Giuseppe Turma A - Prof. Giuseppe Turma A - Prof. Helder Turma A - Prof. Helder
CD: EEL-012 CD: EEL-012
Filtragem: Princípios e Aplicações Filtragem: Princípios e Aplicações
Turma A - Prof. Roberto Turma A - Prof. Roberto
SEXTA
Grade de Horários - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - 2º Semestre de 2020
2 Período
SEGUNDA
QUARTA
QUINTA
TERÇA
ANEXO 4
Universidade Federal de São Carlos
CCET - Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia
PPGEE – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Rod. Was. Luís, km 235 – Cx. Postal 676 – CEP 13.565-905
Tel.: (16) 3351-8258 E-mail: [email protected]
ATA DE DEFESA DO EXAME DE QUALIFICAÇÃO
Aluno: Anderson Luis de Moraes
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Augusto Souza Fernandes
Data e horário: 18/06/2020, às 9:30 horas.
Título do trabalho: “GRÁFICOS DE RECORRÊNCIA E ALGORITMOS DE MACHINE
LEARNING APLICADOS À CLASSIFICAÇÃO DE DISTÚRBIOS DE QUALIDADE DA
ENERGIA ELÉTRICA EM SMART GRIDS”.
Integrantes da Comissão Examinadora Instituição Resultado
Dr. Ricardo Augusto Souza Fernandes PPGEE / UFSCar APROVADO
Dra. Tatiane Cristina da Costa Fernandes PPGEE / UFSCar APROVADO
Dr. Guilherme Guimarães Lage PPGEE / UFSCar APROVADO
Resultado final: (X) Aprovado
( ) Reprovado
Parecer da Comissão:
As considerações e alterações solicitadas pelos membros da banca foram repassadas ao aluno para
que este possa prosseguir com as correções da dissertação.
_____________________________
Prof. Dr. Ricardo Augusto Souza Fernandes
Presidente (PPGEE/UFSCar) Certifico que a qualificação realizou-se com a participação à distância dos membros: Dr. Ricardo Augusto Souza Fernandes -
Presidente - Orientador, Dra. Tatiane Cristina da Costa Fernandes e Dr. Guilherme Guimarães Lage e, depois das arguições e
deliberações realizadas, os participantes à distância estão de acordo com o conteúdo do parecer da banca examinadora redigido nesta
ata de qualificação.
(Participação à distância com base no Ato Administrativo da PROPG Nº 3, de 16 de março de 2020).
ANEXO 5
São Carlos, 30 de junho de 2020
Ref.: Solicitação de Inclusão de Coorientadora de Dissertação de Mestrado
À CPG do PPGEE,
De acordo com o Art. 9 e o Art. 10 do Regimento Interno do PPGEE, venho, por meio desta, solicitar a inclusão da Profa. Dra. Ana Paula Mazzini Lima, do Instituto Federal de São Paulo (IFSP), Campus Matão, como coorientadora da dissertação de Mestrado do discente João Vitor Alves de Azevedo Barros. Dado o caráter interdisciplinar da dissertação, que versará sobre a proposição de uma nova metodologia de programação não linear inteira mista aplicada à determinação da sequência de ajustes recomendados pelo Fluxo de Potência Ótimo em Sistemas de Energia Elétrica, a experiência da Profa. Dra. Ana Paula com solvers comerciais de problemas de programação não linear inteira mista será fundamental nas etapas de validação da metodologia proposta e de comparação de resultados.
Nos colocamos ao dispor da CPG para o necessário diálogo e o esclarecimento de eventuais dúvidas.
Atenciosamente,
Profa. Dra. Ana Paula Mazzini LimaIFSP - Campus Matão
Prof. Dr. Guilherme Guimarães LageDEE - CCET - UFSCar
ANEXO 6
DECLARAÇÃO DE INTERESSE DE CREDENCIAMENTO NO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
ELÉTRICA
Eu, João Vitor de Carvalho Fontes, solicito meu credenciamento como docente
permanente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica junto à linha
Processamento Digital de Sinais, sublinha Processamento de Sinais para Sistemas
Mecatrônicos. Comprometo-me a cumprir todas as atividades relacionadas à orientação,
ministração de disciplinas, gestão do programa e manter os critérios de produção de
acordo com a avaliação vigente. Em anexo, se encontram as propostas e perspectivas para
o desenvolvimento da pesquisa no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.
Atenciosamente,
___________________________________________
João Vitor de Carvalho Fontes
PROPOSTAS E PERSPECTIVAS DE PESQUISA
Possuo interesse na área de Processamento Digital de Sinais, pois já trabalho nas
áreas de robótica, robótica móvel, controle, navegação e fusão de dados. Também já
realizei e pretendo continuar executando validações experimentais com alto desempenho
em aquisição e processamento de dados digitais. As áreas específicas nas quais trabalho
são manipuladores paralelos de alto desempenho, manipuladores cabeados e controle de
Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs). Com foco em conectar estas áreas, irei propor
a construção de um manipulador cabeado paralelo com base voadora. Este projeto será
dividido em duas fases: na fase 1 será feita a melhoria de controle de posição dos VANTs
utilizando o sinal de potência de comunicação para a observação da posição atual; e na
fase 2 será realizada a construção final do manipulador aéreo com cabos, solucionando
os desafios de controle dos VANTs e de formação.
Em relação às atividades de ensino no programa, proponho a criação de uma
disciplina de controle avançado que se inicia com uma revisão de controle clássico,
controle moderno e controle digital e, em sequência, a apresentação de conhecimentos
mais avançados como controle robusto e controle ótimo. Além desta disciplina a ser
criada, me disponho também a ministrar as disciplinas de Metodologia Científica e de
Processamento de Sinais em Tempo Discreto.
Tenho a previsão de duas publicações de alto impacto em periódicos da área
Engenharias IV. Um artigo já submetido ao periódico “Robotics and Autonomous
Systems”. E outro artigo está em processo de escrita e será submetido ao periódico
“Control Engineering Practice”. Ambos os periódicos possuem extrato Qualis A1 na área
de Engenharias IV da atual classificação e Qualis A1 na classificação ainda a ser lançada
Qualis Referência.
Pretendo submeter um projeto Regular FAPESP para o estudo da melhoria do
controle de posição de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs). O projeto FAPESP
será usado para comprar um computador para simulações, placas de processamento,
módulos de comunicação e quadricópteros. Ressaltando que esse projeto será a fase 1
para a construção de um manipulador cabeado voador cuja base será formada pelos
quadricópteros. Posteriormente a esse projeto, outros projetos relacionados à construção
do manipulador cabeado devem ser propostos.
Para o desenvolvimento do projeto de pesquisa, alguns trabalhos paralelos já em
andamento e parcerias já firmadas são levados em consideração. Assim, irei contar com
colaborações de membros internos e externos à UFSCar, sendo eles:
• Professor André Carmona Hernandes do Departamento de Engenharia
Elétrica (DEE) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Câmpus
São Carlos;
• Professor Roberto Santos Inoue do Departamento de Engenharia Elétrica
(DEE) e professor credenciado no Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica (PPGEE), ambos da Universidade Federal de São
Carlos (UFSCar), Câmpus São Carlos;
• Professor Luis Antonio Oliveira Araujo do Departamento de Engenharia
Mecânica (DEMec) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar),
Câmpus São Carlos;
• Professora Natássya Barlate Floro da Silva do Departamento Acadêmico
de Computação (DACOM) e membro permanente do Programa de Pós-
Graduação em Informática (PPGI), ambos da Universidade Tecnológica
Federal do Paraná (UTFPR), Câmpus Cornélio Procópio;
• Professor Daniel Fernando Pigatto do Departamento Acadêmico de
Eletrônica (DAELN) e professor colaborador do Programa de Pós-
Graduação em Computação Aplicada (PPGCA), ambos da Universidade
Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Câmpus Curitiba.
• Professora Kalinka Regina Lucas Jaquie Castelo Branco do Instituto de
Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) e professora orientadora
do Programa Pós-Graduação em Ciências de Computação e Matemática
Computacional (PPG-CCMC), ambos da Universidade de São Paulo
(USP), Câmpus São Carlos;
• Professora Maíra Martins da Silva do Departamento de Engenharia
Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) e professora
orientadora Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (PPG-
AEM), ambos da Universidade de São Paulo (USP), Câmpus São Carlos.
De acordo com as áreas de interesses e projetos dos professores André, Roberto e
Luis, como projetos mecatrônicos, robótica móvel, controle e processamento de
dados digitais, surgiu a oportunidade de parcerias no projeto de construção do
manipulador aéreo proposto por mim.
A professora Natássya é especialista em controle, navegação, fusão de dados e
robótica móvel. Seu doutorado foi feito explorando o piloto automático de um
VANT de asa fixa monomotor e que ainda possui muitos desafios a serem
desenvolvidos. Este será um dos trabalhos paralelos que pretendo trabalhar em
conjunto com ela e a professora Kalinka. Além disso, a professora Natássya já se
dispôs a auxiliar no desenvolvimento do projeto do manipulador voador.
O professor Daniel é especialista em redes e segurança. Como o projeto
demandará conhecimentos de redes para a solução da melhoria de posição dos
VANTs, sua colaboração será de grande contribuição ao projeto, além de garantir
a comunicação segura entre os VANTs.
A professora Kalinka também é especialista em redes e segurança. Além da
contribuição ao projeto a ser desenvolvido dentro do Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Elétrica, também temos trabalhos paralelos em andamento como
aplicação de técnicas de controle para a mitigação do problema de Broadcast
Storm e a validação experimental do piloto automático de um VANT monomotor
de asa fixa.
A professora Maíra é especialista em mecanismos paralelos, robótica, projeto
mecatrônico e controle. Teremos grandes oportunidades de contribuição
principalmente na fase 2 do projeto de construção do manipulador aéreo, já que
os desafios de projeto mecatrônico e controle dos VANTs de forma sincronizada
serão os pontos mais desafiadores. Já é firmada a parceria para a colaboração de
projetos que dão continuidade ao meu doutorado focado em estudo da
variabilidade de parâmetros do manipulador paralelo e vibração do mesmo
sistema.
Apresento em anexo, projeto em fase de escrita que será submetido para FAPESP
como projeto Regular.
Por fim, já tenho em vista um possível orientado que pretende fazer o processo
seletivo para ingressar no mestrado em engenharia elétrica no meio do ano e ser
orientado por mim, caso eu seja credenciado ainda este ano.
Súmula curricular.
Nome: João Vitor de Carvalho Fontes
1) Formação
Ano Título ou atividade Instituição
2012 Graduação em Engenharia Mecatrônica USP / EESC
2015 Mestrado em Engenharia Mecânica USP / EESC
2019 Doutorado em Engenharia Mecânica USP / EESC
2) Histórico profissional.
2.a) Atuação
Instituição Cargo Período
Incon Eletrônica Estagiário 2012-2012
Departamento de Engenharia Mecânica Da EESC
Representante discente 2014-2016
Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR/DEMec)
Professor Adjunto 2019 - Atual
2.b) Prêmios
• Young delegates program award, 14th IFToMM World Congress 2015. Valor recebido foi de $500.00.
3) Lista de publicações mais significativas e de maior relevância nos últimos 5 (cinco) anos.
3.a) Artigos em revistas.
COLOMBO, F. T.; DE CARVALHO FONTES, J. V.; DA SILVA, M. M.. A Visual Servoing Strategy
Under Limited Frame Rates for Planar Parallel Kinematic Machines. Journal Of Intelligent & Robotic Systems (Dordrecht. Online), v. 92, p. 1-13, 2019;
FONTES, J. V. C.; SANTOS, J. C.; DA SILVA, M. M.. Numerical and experimental evaluation of
the dynamic performance of kinematically redundant parallel manipulators. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, v. 40, p. 142, 2018.
SILVA, N. B. F.; FONTES, J. V. C.; INOUE, R. S.; BRANCO, K. R. L. J. C.. Dynamic Inversion and
Gain-Scheduling Control for an Autonomous Aerial Vehicle with Multiple Flight Stages. Journal Of Control, Automation And Electrical Systems, v. 29, p. 328-339, 2018.
VIEIRA, H. L.; FONTES, J. V. C.; BECK, A. T.; DA SILVA, M. M.. Reliable and Failure-Free
Workspaces for Motion Planning Algorithms. Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, v. 14, p. 11-9, 2018.
FONTES, J. V.; DA SILVA, M. M.. On the dynamic performance of parallel kinematic
manipulators with actuation and kinematic redundancies. Mechanism and Machine Theory, v. 103, p. 148-166, 2016.
3.b) Capítulos de livro
FONTES, J. V. C.; DA SILVA, N. B. F.; DA SILVA, M. M.. Feedforward control for the
kinematically redundant manipulator 3PRRR. Mechanisms and Machine Science. 1ed.: Springer International Publishing, 2019, v. 1, p. 2119-2128.
FONTES, J. V. C.; DA SILVA, M. M.. Simulation and Experimental Verification of a Global
Redundancy Resolution for a 3PRRR Prototype. Mechanisms and Machine Science. 1ed.: Springer International Publishing, 2018, v.1, p. 315-324
FONTES, J. V. C.; VIEIRA, H. L.; DA SILVA, M. M.. The Impact of Kinematic Redundancies on
the Conditioning of a Planar Parallel Manipulator. Mechanisms and Machine Science. 1ed.: Springer International Publishing, 2018, v. , p. 449-456.
3.c) Artigos de Congresso.
FONTES, J. V. C.; SANTOS, J. C.; VIEIRA, H. L.; SILVA, M. M.. Dynamic Modelling and
Identification of a Planar PKM with Several Levels of Kinematic Redundancies. In: XVII International Symposium on Dynamic Problems of Mechanics - DINAME 2017, 2017, São Sebastião. Proc. XVII International Symposium on Dynamic Problems of Mechanics - DINAME 2017, 2017.
COLOMBO, F. T.; FONTES, J. V. C.; DA SILVA, M. M.. Contributing to the Implementation of a
Vision-Based Control Strategy for a Planar Parallel Manipulator. In: 24th ABCM International Congress of Mechanical Engineering, 2017, Curitiba. Procceedings of the 24th ABCM International Congress of Mechanical Engineering, 2017.
4) Lista de financiamentos à pesquisa vigentes, de qualquer agência ou empresa, sob a
responsabilidade do Pesquisador.
4.a) projetos aprovados, como coordenador.
Nada a declarar.
4.b) projetos em tramitação, como coordenador
Nada a declarar.
5) Lista de orientações.
5.a) Iniciação Científica com bolsa / voluntário (sem remuneração).
Nada a declarar
5.b) Trabalho de Conclusão de Curso (em andamento).
Nada a declarar.
5.c) Trabalho de Conclusão de Curso (finalizado).
Nada a declarar.
6) Indicadores quantitativos.
• Livros Publicados: 0. • Publicações em periódicos com seletiva política editorial: 5. • Capítulos de livro: 6. • Artigos publicados em anais de congresso: 17. • Patentes publicadas: 0. • Mestrado/doutorado orientado e defendido: 0. • Quantidade de citações recebidas na literatura científica: Web of Science (34), Scopus (58) e
Google Scholar (117). • Índice h calculado pelas bases científicas: Web of Science (3), Scopus (4) e Google Scholar (6).
Pontos PPQ considerando Engenharia IV:
PPQ (E IV) = 1(A2) x 0.85 + 1(B1) x 0.7 + 1(B2) x 0.3 = 1.85.
Pontos PQDP considerando Engenharia III:
PQDP (E III) = 1(A2) x 0.9 + 3(B1) x 0.75 + 1(B3) x 0.3 = 3.45.
Pontos PPQ considerando Qualis referência (novo):
PPQ (E IV) = 1(A1) x 1 + 1(A2) x 0.85 + 1(A3) x 0.7 + 1(A4) x 0.3 = 2.85
Periódico Qualis E IV Qualis E III Qualis referência
(novo)
Fator de impacto (2018)
Journal of Intelligent & Robotic Systems
A2 B1 A2 2.020
Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering
B2 B1 A3 1.743
Journal of Control, Automation and Electrical Systems
B1 B3 A4 --
Journal of Computational and Nonlinear Dynamics
-- B1 -- 2.135
Mechanism and Machine Theory
-- A2 A1 3.535
7) Link MyResearcherID (ISI) ou MyCitations (Google Scholar).
7.a) ResearcherID: M-3990-2017. https://publons.com/researcher/1348192/joao-fontes/
7.b) Orcid. https://orcid.org/0000-0002-2196-690X
7.c) MyCitations do Google Scholar. https://scholar.google.com.br/citations?user=r0ta9CIAAAAJ&hl
8) Outras informações: Apesar de não possuir de forma oficial, possuo experiência em orientações devido às colaborações com outros alunos de iniciação científica, trabalho de conclusão de curso, mestrado e, até doutorado. Essas colaborações refletiram em publicações nas quais tive participação ativa não só em implementações, mas também conduzindo os projetos de forma conjunta com a então orientadora.
Listo abaixo algumas das participações em orientações:
Daniel Felicio Frederice: orientado pela professora Maíra Martins da Silva do departamento de engenharia mecânica da EESC/USP, em trabalho de conclusão de curso e iniciação científica no projeto mecânico de um manipulador paralelo com redundância cinemática;
Ricardo Vidal Mota Peixoto: orientado pela professora Maíra Martins da Silva do departamento de engenharia mecânica da EESC/USP, em iniciação científica no projeto de servovisão do manipulador paralelo com redundância cinemática;
Michel Élie Masudi: orientado pela professora Myriam Regattieri de Biase da Silva Delgado do Departamento Acadêmico de Informática da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, em um estágio no exterior no Brasil vindo da França no projeto “Approximating the dynamic index of a parallel
manipulator using a multilayer perceptron”.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
Campus São Carlos
Projeto de Pesquisa
Construção de um manipulador acionado por cabos com base
voadora. Fase 1: aprimoramento da medida de posição baseado
na fusão de dados sensoriais e sistemas de comunicação para
Veículos Aéreos Não Tripulados
João Vitor de Carvalho Fontes
São Carlos, 15 de novembro de 2019.
Sumário
Sumário
Resumo 1
1 Introdução 2
2 Objetivos 5
3 Metodologia 5
3.1 Fusão de dados sensoriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.1.1 Extended Kalman Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.1.2 Unscented Kalman Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2 Técnicas de localização baseadas em comunicações sem fio . . . . . 9
4 Etapas e cronograma 10
5 Resultados esperados 11
Referências 13
Resumo
Cada vez mais nossa sociedade está caminhado para um ambiente de cida-
des inteligentes no qual as aplicações de Internet das Coisas são aplicadas de
forma ubíqua. Dentro desse cenário, o transporte de cargas feito por Veículos
Aéreos Não Tripulados (VANTs) apresenta muitos desafios, mas é um resultado
muito esperado no futuro. Para realizar um transporte de carga, mais de um
VANT conectado à carga por cabos pode ser utilizado para que haja distribui-
ção do carregamento e, assim, eles devem agir de forma coordenada e precisa.
Essa configuração pode ser estudada como um manipulador acionado por cabos
com base voadora formada por VANTs. Os VANTs são capazes de voar de forma
autônoma graças ao piloto automático, que é responsável por manter a aeronave
em condições de voo estáveis e pela execução de tarefas de navegação. O pi-
loto automático só pode realizar suas funções corretamente se for capaz de obter
estimativas confiáveis a respeito da posição e velocidade da aeronave. Essas in-
formações são geralmente obtidas de múltiplos sensores, como de Unidades de
Medição Inercial (Inertial Measurement Units – IMU), compostas por acelerôme-
tros e giroscópios, e de receptores GPS (Global Positioning System). Porém, mesmo
utilizando-se algoritmos de fusão de dados sensoriais, como o Extended Kalman
Filter e o Unscented Kalman Filter, as estimativas extraídas desses sensores são in-
fluenciadas negativamente por ruídos ou pela ausência de sinal. Outra solução
de localização, ainda pouco explorada no contexto de VANTs, é o uso da troca
de mensagens por sistemas de comunicação inerentes da operação da aeronave
para estimar sua posição. Portanto, como primeira fase para a construção de um
manipulador acionado por cabos com base voadora e buscando suprir os proble-
mas de métodos tradicionais de observação da posição de VANTs, este projeto
propõe o estudo e a avaliação de algoritmos de fusão de dados sensoriais que
integram o uso de sensores com técnicas de localização baseadas na comunica-
ção. Experimentos empíricos serão executados para comprovar a viabilidade das
soluções de localização e observar seu desempenho em tempo real em hardware
similar ao desses veículos. Espera-se com isso obter contribuições nas estimativas
de posição e velocidade, o que consequentemente favorece a navegação, controle
e estabilização das aeronaves.
1
1. Introdução
Em um ambiente de cidades inteligentes, o transporte de cargas feito por Veí-
culos Aéreos Não Tripulados (VANTs) é um tema cada vez mais estudado pela
comunidade científica devido às promessas de transporte mais eficiente e auto-
mático [13, 11, 18]. [13] demonstraram que o transporte de vacina utilizando
quadricópteros é mais eficiente economicamente quando comparado a serviços
de transporte terrestre tradicionais. [11, 12] apresentam o controle de um qua-
dricóptero com carga conectada por um cabo. O controle baseado no modelo do
sistema foi suficiente para estabilizar a aeronave. [18] realizou o transporte de
carga por cabos utilizando três helicópteros de pequeno porte. Apesar de ter sido
realizado uma validação experimental, os cabos utilizados eram grandes o sufici-
ente para não alterar o centro de massa dos helicópteros e carga carregada foi de
apenas 4 kg, não apresentando desafios de controle críticos.
Para que um transporte de carga seja eficiente, as aeronaves utilizadas devem
ser leves e os cabos precisam ser curtos de acordo com a aplicação. Estas carac-
terísticas proporcionam uma alta relação entre a capacidade de carga e a massa
do sistema. Nesse sentido, esse projeto visa a construção de um manipulador pa-
ralelo acionado por cabos com base voadora formada por quadricópteros. Esse
manipulador demandará ação conjunta dos quadricópteros com alta precisão do
controle de posição, além de compensar os possíveis desvios do centro de gravi-
dade das aeronaves. Este sistema poderá manipular a carga, alterando sua posi-
ção linear e angular de forma precisa, similarmente a um robô paralelo acionado
por cabo (RPAC).
Os robôs paralelos acionados por cabos (RPACs) são um tipo específico de
robôs paralelos que possuem cabos no lugar dos tradicionais corpos rígidos que
formam as cadeias cinemáticas do robô [19]. Robôs paralelos acionados por ca-
bos apresentam um grande potencial para lidar com novos problemas em ro-
bótica. Sendo acionado por cabos em vez de corpos rígidos pesados, esse tipo
de robô permite soluções mais rápidas, leves, energicamente eficientes e baratas
para muitas tarefas que não podem ser resolvidas com soluções mais convenci-
onais [31]. A Figura 1 apresenta uma aplicação de um RPAC desenvolvido para
um simulador de voo [20].
O sistema proposto nesse projeto, um RPAC com base voadora, irá demandar
alta precisão da movimentação VANTs da base. Assim, como uma primeira fase
do projeto, a melhoria do controle de posição dos VANTs a serem utilizados será
estudada para garantir a precisão e estabilidade necessária para a continuidade
do projeto.
2
Figura 1: Simulador de voo utilizando um RPAC.
Fonte: [20].
Os VANTs são aeronaves que não possuem um piloto humano a bordo e que
são capazes de voar sendo pilotadas remotamente ou por meio de um sistema
autônomo [30]. Existem diversas aplicações para estes veículos, como busca e res-
gate, monitoramento ambiental e de estruturas, detecção de incêndios, controle
de incidentes, mapeamento de vias e construções, e monitoramento de plantações
[2, 33].
Todas estas aplicações dependem do funcionamento correto da operação au-
tomatizada da aeronave, provida pelo seu principal componente, o piloto auto-
mático. Entre suas funções estão a estabilização do voo, o seguimento de traje-
tórias predefinidas e a estimação das informações espaciais do veículo por meio
de sensoriamento do ambiente [7]. Suas duas primeiras funções dependem es-
sencialmente da última, sendo assim vital para um bom funcionamento do piloto
automático como um todo.
Em geral, as estimativas de posição e velocidade da aeronave são obtidas em
tempo real utilizando-se a fusão de dados sensoriais da IMU (Inertial Measurement
Unit) e do receptor GPS (Global Positioning System) [29]. Esses sensores possuem
características complementares, a IMU provê valores de posições pela integração
de informações de acelerações com uma alta taxa de resposta, mas a presença de
ruídos nestas medições resulta em degradação da sua estimativa com a progres-
são do tempo. Já o GPS fornece diretamente medições da posição global por meio
de informações obtidas de satélites, que não degradam com o tempo, apesar de
3
também estarem sujeitas a ruídos. Porém, no caso do GPS, a disponibilização
de dados é realizada com uma taxa reduzida, além de sofrer problemas com o
ambiente externo, como a perda de sinal no caso de obstruções.
Estudos que consideram os algoritmos Extended Kalman Filter e Unscented Kal-
man Filter já foram realizados e os resultados preliminares podem ser encontrados
em [25]. Entretanto, acredita-se que essas estimativas possam ser aprimoradas
com outra fonte de informação de localização, como o uso de dados a partir de
seus sistemas de comunicação.
Os links de comunicação entre o VANT e estações de controle terrestre é um
dos itens obrigatórios para a utilização dessas aeronaves no Brasil, segundo a le-
gislação da ANAC (Agência Nacional de Aviação) e do DECEA (Departamento
de Controle do Espaço Aéreo) [1, 6]. O intuito desse regulamento é de garantir
uma operação segura ao proporcionar que um piloto humano possa se respon-
sabilizar pelo controle da aeronave a qualquer momento. Sendo assim, os dados
provenientes dos sinais de comunicação estarão sempre disponíveis durante a
operação de um VANT e podem ser usados para aperfeiçoar as estimativas de
posição, principalmente durante possíveis falhas do receptor de GPS.
Algumas técnicas de localização disponíveis para serem usadas nesse con-
texto são Time of Arrival (TOA) [17], Round Trip Time (RTT) [5] e baseadas nas
medidas de intensidade dos sinais de comunicação, chamados também de Recei-
ved Signal Strength Indicator (RSSI) [3]. Tais métodos já foram explorados para a
localização de VANTs, porém, geralmente em cenários sem nenhuma informa-
ção de GPS, com as tecnologias de comunicação sem fio UWB [28, 24] ou ZigBee
[32, 22]. Apesar de serem bons sistemas de comunicação sem fio, seus recepto-
res e transmissores ainda são pouco acessíveis e caros quando comparados com
os da tecnologia WiFi. É possível encontrar também na literatura trabalhos que
utilizam comunicação WiFi [27], mas não é reportada a comparação entre os di-
ferentes algoritmos de fusão de dados sensoriais ou dos diferentes métodos de
localização.
Portanto, é possível se beneficiar tanto das soluções tradicionais existentes ba-
seadas nos dados obtidos da IMU e do GPS quanto das soluções de localização
baseadas em sistemas de comunicação WiFi para aprimorar a estimativa da infor-
mação espacial de VANTs. Todos esses dados podem ser associados utilizando-se
os algoritmos de fusão de dados para equações de observação não-lineares, ine-
rentes de aeronaves.
4
2. Objetivos
O objetivo deste projeto de pesquisa é estudar experimentalmente algoritmos
de fusão de dados dos sensores da aeronave com dados provenientes de siste-
mas de comunicação. O ambiente de teste deve levar em consideração modelos
matemáticos que descrevam a dinâmica da aeronave e a propagação do sinal de
comunicação. Além disso, é necessário vislumbrar também os erros que podem
ocorrer durante as medições dos sensores, como seus ruídos, e a possibilidade de
ausência de sinal do receptor GPS e a perda do sinal do receptor da comunicação.
É importante analisar o desempenho das soluções em um hardware com caracte-
rísticas semelhantes aos que são utilizados no piloto automático de VANTs. Tais
sistemas possuem restrições de processamento, memória e energia, que devem
ser consideradas na implementação dos algoritmos e na análise dos resultados.
De acordo com o objetivo principal, podemos identificar os objetivos secun-
dários que suportarão o desenvolvimento do projeto final. São estes:
• Estudo e implementação de técnicas de localização baseadas em sistemas de
comunicação WiFi, LoRa e Bluetooth;
• Estudo e implementação dos algoritmos de fusão de dados sensoriais e de
comunicação;
• Avaliação do desempenho dos algoritmos considerando critérios predefini-
dos;
• Identificação dos melhores parâmetros para os algoritmos de fusão de dados
sensoriais e de comunicação com o uso de otimizações e de avaliações de
desempenho com análises estatísticas.
3. Metodologia
Para alcançar o objetivo principal deste projeto, as soluções de localização ba-
seada nos dados de comunicação deverão ser definidas e integradas aos algorit-
mos de fusão de dados sensoriais que utilizam sensores comuns de VANTs. Com
o intuito de retratar cada um dos tópicos principais, nessa seção são descritos os
algoritmos de fusão de dados sensoriais para sistemas não lineares e as soluções
de localização baseadas em comunicações sem fio.
5
3.1 Fusão de dados sensoriais
As funções de controle e navegação de um VANT durante o voo dependem do
conhecimento do seu estado espacial com certa precisão. Estas informações ge-
ralmente são obtidas a partir de diversos sensores para veículos autônomos e,
por lidar com múltiplos dados, técnicas de fusão sensorial são necessárias. Uma
dessas técnicas é o filtro de Kalman, que oferece soluções ótimas, mas não é apli-
cável neste caso, pois as equações que determinam o movimento de aeronaves
e as observações dos seus sensores são não lineares. Como alternativas, foram
desenvolvidas técnicas baseadas no filtro de Kalman, mas capazes de lidar com
sistemas não lineares: o Extended Kalman Filter (EKF) e o Unscented Kalman Filter
(UKF), descritos nas próximas subseções [23, 10, 26].
3.1.1 Extended Kalman Filter
O EKF é o estimador mais utilizado para sistemas não lineares e é considerado
uma versão do filtro de Kalman que lineariza o sistema em torno de uma média
e covariância estimadas [16].
Assumindo que um modelo do processo é descrito por uma equação diferen-
cial estocástica não linear f(xk, uk, wk) com um modelo de observação similar
h(xk, vk), o sistema que especifica a formulação do modelo de estados dos senso-
res pode ser definido por (1)-(2), onde xk e zk são os vetores do estado atual e das
medições, uk é o vetor de controle e wk e vk são os ruídos gaussianos aditivos do
processo e da observação, respectivamente, wk ∼ N (0, Q) e vk ∼ N (0, R).
xk+1 = f(xk, uk) + wk (1)
zk = h(xk) + vk (2)
O algoritmo do EKF é dividido em dois estágios, a predição e a atualização,
como detalhado na Tabela 1, onde x−k+1 e P−k+1 são estimativas a priori do vetor
de estado e de sua matriz de covariância, xk+1 e Pk+1 são estimativas a posteriori
do vetor de estado e de sua matriz de covariância, zk+1 é o vetor de medições,
Ak é a Jacobiana do modelo do processo em relação a x calculado para xk, Wk
é a Jacobiana do modelo do processo em relação a w calculado para xk e Hk é a
Jacobiana do modelo de observação em relação a x calculado para xk [4].
6
Tabela 1: Algoritmo do Extended Kalman Filter.
Predição
x−k+1 = f(xk, uk)
P−k+1 = AkPkAk
T + WkQWkT
Atualização
Kk+1 = P−k+1Hk
T(
HkPk+1−Hk
T + R)−1
xk+1 = x−k+1 + Kk+1
(
zk+1 − h(x−k+1))
Pk+1 = (I − Kk+1Hk) P−k+1
3.1.2 Unscented Kalman Filter
Outro método usado como estimador para sistemas não lineares é o UKF. O UKF
utiliza um conjunto de amostras ponderadas, chamados pontos sigma, para para-
metrizar a média e a covariância de distribuições de probabilidade. O algoritmo
é baseado em Unscented Transformation, uma transformação não linear que esta-
tisticamente calcula a média para uma variável aleatória.
Nessa formulação, considera-se uma variável aleatória de dimensão n, com
média xk e covariância Pk, que é propagada por meio de um sistema não linear
xk+1 = f(xk, uk). As informações estatísticas de xk+1 podem ser obtidas com
Unscented Transformation ao calcular 2n + 1 pontos sigmas e seus pesos, defini-
dos por (3)-(8), onde i = 1, . . . , n, κ ∈ R é um parâmetro de dimensionamento,(
√
(n + κ) Pk
)
ié a coluna i da raiz quadrada da matriz
√
(n + κ) Pk e Wi é o
peso associado com o ponto i [15].
χ0,k+1 = xk (3)
χi,k+1 = xk +
(
√
(n + κ) Pk
)
i
(4)
χi+n,k+1 = xk −
(
√
(n + κ) Pk
)
i
(5)
7
W0 =κ
n + κ
(6)
Wi =1
2 (n + κ)(7)
Wi+n =1
2 (n + κ)(8)
No UKF, os pontos sigma são propagados por meio da função não linear des-
crita por (9) e a média e a covariância do vetor de estados xk+1 são aproximadas
utilizando-se as médias e covariâncias ponderadas, como demonstrado em (10)-
(11).
γi,k+1 = f(χi,k+1 , uk), for i = 1, . . . , n (9)
xk+1 ≈
2n+1
∑i=1
Wiγi,k+1 (10)
P, k + 1 ≈
2n+1
∑i=1
Wi (γi,k+1 − xk+1) (γi,k+1 − xk+1)T (11)
O mesmo processo é aplicado na fase de atualização, que calcula a média de
medições zk+1 a partir dos pontos Υi,k+1, como detalhado no algoritmo completo
do UKF na Tabela 2.
Os dois algoritmos de fusão de dados apresentados, EKF e UKF, podem ser
aplicados no cenário deste projeto. Devido à sua alta taxa de disponibilidade de
dados e cobertura tanto da posição quanto da velocidade da aeronave, os dados
dos acelerômetros e giroscópios da IMU são utilizados durante a fase de pro-
pagação dos algoritmos. Já os dados provenientes dos outros sensores, como do
GPS, dos magnetômetros, do barômetro e das técnicas de localização baseadas na
comunicação, devem ser utilizados durante a fase de atualização dos algoritmos.
Portanto, a implementação dos algoritmos de fusão de dados pode ser base-
ada na reportada em [25] no ambiente de desenvolvimento MATLAB. Este am-
biente também facilita a execução de métodos de otimização, como Algoritmos
Genéticos [21] e Sequential Quadratic Programming (SQP) [9], para se determinar
os melhores parâmetros dos algoritmos de fusão de dados.
8
Tabela 2: Algoritmo Unscented Kalman Filter.
Predição
χk+1 =
[
xk xk ±√
(n + κ) (Pk + Q)]
γi,k+1 = f(χi,k+1 , uk) for i = 1, . . . , n
x−k+1 =2n+1
∑i=1
Wiγi,k+1
P−k+1 =
2n+1∑
i=1Wi
(
γi,k+1 − x−k+1
) (
γi,k+1 − x−k+1
)T
Atualização
Υk+1 = h(γk+1) for i = 1, . . . , n
zk+1 =2n+1
∑i=1
WiΥi,k+1
Pxz,k+1 =2n+1
∑i=1
Wi
(
γi,k+1 − x−k+1
)
(Υi,k+1 − zk+1)T
Pzz,k+1 = R +2n+1
∑i=1
Wi (Υi,k+1 − zk+1) (Υi,k+1 − zk+1)T
Kk+1 = Pxz,k+1Pzz,k+1−1
xk+1 = x−k+1 + Kk+1 (zk+1 − zk+1)
Pk+1 = P−k+1 − Kk+1Pzz,k+1Kk+1
T
3.2 Técnicas de localização baseadas em comunicações sem fio
Diferentes técnicas são propostas na literatura como possíveis soluções de locali-
zação baseadas em comunicações sem fio, principalmente focadas para aplicações
indoor, onde não é possível usar receptores GPS [8]. No caso de VANTs, que sem-
pre possuem um sistema de comunicação sem fio ativo, essas soluções podem ser
aplicadas para aprimorar a estimativa da posição da aeronave e se tornar uma al-
ternativa importante para quando ocorrer ausência dos sinais de GPS devido a
obstáculos.
Uma das técnicas que pode ser aplicada nesse domínio é a Time of Arrival
(TOA), baseada em medidas de tempo de chegada de diferentes mensagens. No
TOA, mensagens com timestamps são enviadas à aeronave a partir de nós de
acesso e a distância relativa a estes nós é calculada a partir do atraso e da ve-
locidade do sinal. Sendo assim, é necessária uma sincronização do tempo para se
atingir uma boa precisão [17].
Outra possibilidade é o uso da técnica Round Trip Time (RTT), que mede o
9
tempo de atraso de uma mensagem que é enviada e respondida à aeronave pelos
nós de acesso. Neste caso, não é necessário sincronizar o tempo entre os dife-
rentes nós da comunicação, já que o tempo total é sempre medido em relação
ao relógio interno da própria aeronave. Porém, há uma latência envolvida em
relação ao envio consecutivo de mensagens a cada um dos nós de acesso [5].
Por fim, é possível estudar também técnicas baseadas nas medidas de in-
tensidade dos sinais de comunicação, conhecidos também como Received Signal
Strength Indicator (RSSI). A partir destas medidas, é possível estimar a distância
com base em modelos de atenuação. Porém, as medidas de RSSI podem sofrer
interferências com o ambiente [3].
As técnicas de localização serão avaliadas utilizando diferentes tecnologias,
como WiFi, LoRa (Long Range) e Bluetooth. Estas avaliações levarão em con-
sideração número de módulos para formação da base, precisão de medição da
posição e latência. As implementações devem ser feitas em uma linguagem com
alto desempenho e apropriada para a execução em um hardware similar aos uti-
lizados em VANTs, como uma placa de processamento Raspberry Pi. Para suprir
estas características, foi escolhida a placa de processamento e comunicação WiFi
LoRa 32 da marca Heltec que possui os três tipos de comunicação desejados e im-
plementação em linguagem C++. Após a avaliação dos algoritmos de estimação
de posição, serão introduzidos outros sensores comumente aplicados em VANTs
e será implmentada a fusão de dados com estes sensores e a medição feita pelo
sinal de potência de comunicação.
4. Etapas e cronograma
As seguintes atividades são previstas para o cumprimento dos objetivos deste
projeto de pesquisa dentro do período de vigência estipulado:
1. Levantamento bibliográfico e análise crítica da bibliografia, que deverá ocor-
rer durante todo o projeto.
2. Definição e estudo dos algoritmos de estimação de posição baseados no si-
nal de comunicação a serem implementados.
3. Implementação de algoritmos escolhidos na fase anterior.
4. Avaliação dos algoritmos com base nas características levantadas: número
de módulos para formação da base, precisão de medida e latência.
5. Introdução de outros módulos de sensores como IMU e GPS.
10
6. Integração das técnicas de localização baseadas na comunicação com os da-
dos obtidos da IMU e do GPS por meio de algoritmos de fusão de dados.
7. Execução de testes dos algoritmos de fusão de dados sensoriais e de dados
provenientes da comunicação com presença de ruídos e ausência do sinal
do receptor GPS e do receptor de comunicação.
8. Execução de testes experimentais em altas velocidades próximas de um VANT.
9. Escrita de artigos para eventos e periódicos da área.
Todas as atividades serão desenvolvidas durante o período de vigência do
projeto de pesquisa de 24 meses e o cronograma é apresentado na Tabela 3.
Tabela 3: Cronograma das atividades previstas.
TrimestresAtividade 1o 2o 3o 4o 5o 6o 7o 8o
Trim. Trim. Trim. Trim. Trim. Trim. Trim. Trim.123456789
5. Resultados esperados
Como parte deste projeto, será realizada uma avaliação de desempenho para
a comparação das técnicas de localização baseadas em informações provenientes
do sistema de comunicação em experimentos empíricos com hardware similar
aos usados em VANTS.
Também será implementada a fusão de dados a partir dos sensores comuns
de aeronaves com informações obtidas do sistema de comunicação. Os melhores
parâmetros dessas soluções serão encontrados utilizando-se otimizações, permi-
tindo obter algoritmos adaptados às condições de voo.
De acordo com as recomendação de métodos de pesquisa, os testes experi-
mentais irão seguir especificações de avaliação de desempenho com medidas es-
tatísticas, viabilizando sua validade científica e reprodutibilidade [14]. Espera-se
11
com isso obter resultados que diferenciem as técnicas de localização baseadas no
sistema de comunicação e os algoritmos de fusão de dados sensoriais com tais
técnicas, proporcionando um levantamento dos melhores parâmetros para a con-
figuração das soluções de localização.
Os resultados deste projeto contribuirão para o avanço do estado da arte na
área de desenvolvimento de VANTs por oferecerem resultados experimentais e
avaliações estatísticas de soluções para a aquisição de dados, que consequente-
mente, aperfeiçoam também seu controle de estabilização e tarefas de navegação.
Além das contribuições científicas e acadêmicas, é possível ressaltar também
as contribuições técnicas, como a implementação das técnicas de localização ba-
seadas em comunicação e dos algoritmos de fusão de dados sensoriais em uma
plataforma experimental.
A escolha do algoritmo de fusão de dados mais adequado, o levantamento dos
seus parâmetros e a melhoria da precisão das informações espaciais da aeronave
também se apresentam como contribuições que reduzem o custo e facilitam o uso
de VANTs em aplicações civis.
Com este projeto finalizado, será possível iniciar uma fase 2 do projeto princi-
pal, para a construção do manipulador acionado por cabos com base voadora.
12
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16
ANEXO 7
UFSCar – Universidade Federal de São Carlos CCET - Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia
PPGEE – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Rod. Was. Luís, km 235 – Cx. Postal 676 – CEP 13.565-905 Tel.: (16) 3306-6931 - (16) 3351-8258 E-mail: [email protected]
O pedido de credenciamento do Prof. João Vitor de Carvalho Fontes como docente permanente na sublinha de Processamento de Sinais para Sistemas Mecatrônicos foi apreciada pelos membros desta sublinha, tendo apresentado os documentos requeridos pela norma complementar 2, sendo os principais pontos abaixo elencados (disponíveis também na carta de apresentação):
- Recém-doutor (2019), de acordo com as metas do programa de incentivo à agregação de pesquisadores com titulação menor do que 5 anos da data do pedido de credenciamento.
- Mesmo sendo recém-doutor e recém-contratado, Possui experiência em co-orientações: (1 TCC, 2 IC, 1 MSc), sendo que neste semestre ele possui 2 orientações próprias de IC
- O indicador IQCP&T é de 2.775, superior aos 2 requeridos. - O plano de trabalho submetido a este programa é aderente a área. (a saber:
Construção de um manipulador acionado por cabos com base voadora). - Disposição em ministrar 2 disciplinas existentes (Metodologia Científica e de
Processamento de Sinais em Tempo Discreto), além de sugestões de novas disciplinas.
- Possui 2 alunos em perspectiva para mestrado - Possui perspectiva de submeter o projeto apresentado à FAPESP. - Deste projeto, já tem 2 artigos sendo desenvolvidos com as colaborações citadas (1
B1 e A1), além da perspectiva de mais 7 artigos em revistas. -
Assim, a sublinha de Processamento de Sinais para Sistemas Mecatrônicos conclui que a docente estaria apta para ser credenciada na condição de docente permanente.
André Carmona Hernandes Roberto Santos Inoue
Samuel Lourenço Nogueira