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Aplicações do MatLab 1/16
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Aplicações do MatLab
Em Engenharia Electrotécnica
Projeto FEUP 2013/2014 - MEEIC:
Coordenador Geral: Armando Sousa Coordenador do Curso: José Nuno
Fidalgo
Turma 7 – Equipa B
Supervisor: Sílvio Abrantes Monitor: Marta Rolo
Estudantes & Autores:
Beatriz Silva ([email protected])
Ília Azevedo ([email protected])
José Marrafa ([email protected])
Luís Neves ([email protected])
Rui Santos ([email protected])
Vasco Arez ([email protected])
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Resumo
Este trabalho tem como objetivo clarificar a utilidade do MATLAB em Engenharia,
em particular, em Engenharia Eletrotécnica. Dividir-se-á o relatório nas três áreas de
especialização do curso, que são automação, energia, e telecomunicações.
O MATLAB é uma ferramenta destinada a fazer cálculos com matrizes,
processamentos de sinais, e construção de gráficos. Contudo, ao longo da pesquisa,
encontrou-se o simulink, que é uma extensão do MATLAB, onde muitas ferramentas
do MATLAB podem ser usadas. O simulink permite simular, modelar, e analisar
sistemas dinâmicos.
No que diz respeito à automação, o MATLAB foi útil para reduzir 30% dos custos
na construção de mísseis de interceção. Além desta utilidade, ainda se usou o MATLAB para
reduzir o tempo de programação, testes e ajustes um sistema de visão robótica para
reconhecimento de contornos de componentes na aplicação de processos industriais, e ainda foi
permitido o calculo da área da imagem, do perímetro, distâncias e orientações em relação a um
determinado referencial. Com a elaboração de algoritmos no MATLAB foi permitida a
identificação biométrica através da impressão digital usando redes neuronais artificiais. A última
aplicação desta vertente é a criação de um sistema de controlo robótico livre de vibrações,
utilizando o simulink.
O MATLAB também pode contribuir para o desenvolvemento um sistema de
avaliação de risco automatizado, para gerar previsões de receitas precisas e
projeções destas mesmas, em situação de risco em parque eólicos.
Quanto às telecomunicações, o simulink ajuda no desenvolvimento de uma
tecnologia de sincronização de modem para sistemas de telecomunicação móveis,
4ª geração. Juntamente com o simulink, o MATLAB permite melhorar o processo de
design dos smicondutores utilizando as suas ferramentas para explorar e validar
algoritmos e projetar sistemas.
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Índice
Resumo……………………………………………………………………………………….2
Índice………………………………………………………………………………………….3
1-Introdução…………………………………………………………………………………4
2-Energia……………………………………………………………………………………..5
2.1 - Análise de risco e previsão de receitas para parques eólicos…………...5
3 – Automação……………………………………………………………………………….6
3.1 - CARCO Electronics reduz custos de produção em
30%........................................................................................................................................6
3.2 - Sistema de visão robótica para reconhecimento de contornos de
componentes na aplicação de processos industriais…………………………………...7
3.3 - Identificação biométrica através da impressão digital usando redes
neuronais artificiais………………………………………………………………………….8
3.4 - Simulink ajuda PNNL a criar um sistema de controlo robótico livre de
vibrações……………………………………………………………………………………….8
4- Telecomunicações………………………………………………………………………………10
4.1 - ETRI desenvolve tecnologia de sincronização de modem para sistemas
de telecomunicação móveis, 4ª geração………………………………………………..10
4.2 - Melhorar o processo de design dos semicondutores……………………13
5 – Conclusão………………………………………………………………………………14
6 - Referências bibliográficas……………………………………………………………..15
6.1 – Sites…………………………………………………………………………..15
6.2 – Livros………………………………………………………………………….15
6.3 – Relatorios…………………………………………………………………….16
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1 - Introdução
MatLab (abreviatura de Matrix Laboratory) é um programa de computador
criado pela Mathworks que permite a realização de cálculos científicos e relativos à
engenharia. Este começou a ser desenvolvido com o objectivo de executar matrizes
matemáticas, mas ao longo dos anos desenvolveu-se, tornando-se num sistema
flexível capaz de resolver praticamente qualquer problema técnico. (Chapman 2008)
O MatLab implementou a linguagem de programação MatLab e fornece uma
extensa biblioteca de funções predefinidas de modo a executar tarefas de
programação técnica mais fácil e eficientemente. Assim, verificamos que é um
programa muito abrangente, mesmo a sua versão mais básica. Existem mais de mil
funções só na versão base do MatLab e as ferramentas que ele contém, aumentam
a sua capacidade ainda mais. (Chapman 2008)
Ao longo deste trabalho, e no âmbito do Projecto FEUP, propomo-nos a
explorar as diferentes aplicações deste programa, focando-nos na engenharia
electrotécnica.
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2 - Energia
2.1 - Análise de risco e previsão de receitas para parques eólicos
No caso de recursos como carvão e gás natural, é fácil controlar a sua produção
e prever as suas receitas futuras. No entanto, quando se trata de energia eólica,
produzida em parques eólicos, o planeamento de negócios representa um desafio.
Isto deve-se ao facto de a produção de energia neste meio depender de fatores
pouco previsíveis, como por exemplo, a velocidade do vento. (The Mathworks, Inc.
2013)
Por este motivo, empresas como a Horizon Wind Energy desenvolveram um
sistema de avaliação de risco automatizado para gerar previsões de receitas
precisas e projeções destas mesmas, em situação de risco. O sistema combina
estimativas de produção para todos os
parques eólicos na sua lista, com
previsões de preços da energia do
mercado futuro, usando o MATLAB.
(The Mathworks, Inc. 2013)
A equipa da Horizon Wind Energy
que desenvolveu esta aplicação,
destaca que a utilização do MATLAB
permitiu aumentar a consciência da
magnitude do risco em todos os seus parques, resultou num aumento de produção
de energia eólica e permitiu à empresa poupar milhões de dólares. (The Mathworks,
Inc. 2013)
Análise Ambiental e Desenvolvimento Sustentável 2013. "Turbina Eólica". Acedido a 16 de Outubro de 2013.
http://ambientalsustentavel.org/wp-content/uploads/2013/04/turbina-eolica-jpeg3.jpg
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3 – Automação
3.1 - CARCO Electronics reduz custos de produção em 30%
"Without MathWorks tools, we would have had to use C or Fortran to construct a
suitable simulation model. We would not have been able to analyze the behavior of the
controller and the mechanical system together before prototyping."
Robert Peterson, CARCO Electronics
Mísseis de interceção são
suscetíveis às dinâmicas de voo de
alta frequência, como é o caso da
vibração. Esta suscetibilidade pode
resultar em erros nos sensores de
direção e controlo de voo. Para
resolver o problema, os
engenheiros da CARCO
Electronics ainda puseram em
hipótese utilizar simuladores de
voo, de modo a conseguir estudar a
dinâmica presente. Mas, mesmo os
mais avançados destes
simuladores só abrangem
frequências entre os 60 Hz e os
100 Hz, o que não permite obter
resultados fiáveis. (The
Mathworks, Inc. 2013)
Era então necessário desenvolver um sistema de testes que pudesse
representar com precisão dinâmicas de baixa amplitude e de frequências máximas
na ordem dos 1000 Hz. Utilizando o MATLAB/Simulink, a CARCO conseguiu reduzir
os custos de desenvolvimento do projecto em 30% (utilizando a capacidade do
1"Arrow: anti-ballistic missile launch". Acedido a 21 de Outubro de 2013. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7e/Arrow_anti-ballistic_missile_launch.jpg
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software de gerar código automaticamente) e o tempo de desenvolvimento em mais
de dois meses. (The Mathworks, Inc. 2013)
3.2 - Sistema de visão robótica para reconhecimento de contornos de
componentes na aplicação de processos industriais
Nesta aplicação o MATLAB reduziu o tempo de programação, testes e ajustes,
permitindo fiabilidade nos resultados.
(Renan e Lorini. n.d.)
Para este trabalho, o Sistema de
Visão foi projectado para enviar todos
os pontos do contorno de um objecto,
formados por pixels numa imagem.
(Renan e Lorini. n.d.)
Uma vez que o sistema obtém a
fronteira do objecto independentemente
da sua orientação e posição, o
MATLAB permitiu ainda a obtenção de outras características geométricas da
imagem, como área, perímetro, distâncias e orientações em relação a um
determinado referencial. (Renan e Lorini. n.d.)
“Imagens capturadas e reprodução de contornos” Acedido a
20 de Outubro de 2013. http://www.grima.ufsc.br/cobef4/files/161035330.pdf
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3.3 - Identificação biométrica através da impressão digital usando redes
neuronais artificiais
O propósito deste sistema resume-se na aplicação de redes neuronais artificiais
para a identificação e reconhecimento biométrico de impressões digitais. (Junior e
Mazi 2009)
Este baseia-se na aquisição da imagem através de um leitor biométrico da
Microsoft, no tratamento da imagem, na captura das minúcias, na eliminação das
falsas minúcias, no teste da rede neuronal e na comparação dos resultados através
de validações. (Junior e Mazi 2009)
O ambiente de trabalho Matlab foi utilizado para a elaboração dos algoritmos.
(Junior e Mazi 2009)
No processo de obtenção da imagem, as diferentes pressões que as pessoas
exerciam sobre o leitor geravam imagens com tons de cinzas mais escuros ou mais
claros em relação às outras. Dessa maneira, o pré-processamento da imagem nem
sempre produzia resultados satisfatórios. Assim, decidiu-se introduzir o processo de
equalização das imagens. Foi usado um comando da área de trabalho Matlab que
utiliza um histograma para equalizar as imagens. (Junior e Mazi 2009)
3.4 - Simulink ajuda PNNL a criar um sistema de controlo robótico
livre de vibrações
O Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) localizado em Richland
(Washington, USA) foi contratado pelo Departamento de Energia dos Estados
Unidos para desenvolver um braço robótico capaz de quebrar sedimentos de lixo
nuclear. (The Mathworks, Inc. 2013)
Visto que os desperdícios são guardados em câmaras a cerca de 12 metros
de profundidade e o único acesso ás mesmas é um orifício de cerca de 1 metro no
seu topo, o braço teria de ser fino e longo, com articulações relativamente flexíveis,
e frequências naturais de baixo valor. (The Mathworks, Inc. 2013).
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Os engenheiros do PNNL optaram por um protótipo que consistia num
manipulador de longo alcance (LRM), usado para posicionamento, com um
manipulador de curto alcance (SRM) montado na ponta. Com sensores e
computadores de controlo colocados para amortecer a vibração, a ideia base era
corrigir o movimento do braço curto de modo a usar a sua própria força inercial a
seu favor. O movimento cancelaria assim a oscilação e manteria bons resultados de
robustez, estabilidade, e fiabilidade. (The Mathworks, Inc. 2013)
Um sistema altamente não-linear como este seria difícil de conseguir
desenvolver com as ferramentas convencionais. Com um protótipo físico, o estudo
das alternativas de controlo com o fim de determinar a melhor levaria anos. (The
Mathworks, Inc. 2013)
Para resolver este problema, foram utilizados o Matlab e o Simulink para o
estudo em questão. A simulação por computador permitiu aos engenheiros do PNNL
considerar vários parâmetros operacionais, tais como a velocidade, aceleração e
posição de qualquer ponto a cada momento da simulação. Com estes dados, foi
possível estabelecer equações para a melhor alternativa de controlo. (The
Mathworks, Inc. 2013)
Desta forma, substituindo a simulação física pela virtual, os resultados foram
obtidos numa fracção do tempo, verificando-se precisão e rapidez no feedback da
simulação. (The Mathworks, Inc. 2013)
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4 - Telecomunicações
4.1 - ETRI desenvolve tecnologia de sincronização de modem para
sistemas de telecomunicação móveis, 4ª geração
"The intuitive block diagram environment of Simulink enabled us to implement our base
station system design precisely and ensure optimal synchronous performance."
Juyul Lee, ETRI
Os sistemas de telecomunicações móveis da quarta geração (4G) são uma grande
promessa no apoio a taxas de transmissão de dados até 100 MB por segundo, fornecendo
aos utilizadores dispositivos com uma conecção sem fios quase omnipresente. No entanto,
com a constante alteração de especificações e de
normas, o desenvolvimento de um protótipo que
demonstre as capacidades do sistema 4G requer um
processo de design flexível. (The Mathworks, Inc.
2013)
The Electronics and Telecommunications
Research Institute (ETRI) é uma organização de
pesquisa financiada pelo governo coreano, sem fins
lucrativos, que está na vanguarda do desenvolvimento
de tecnologia da informação. Para desenvolver um
protótipo de um sistema de telecomunicações
móvel de alta velocidade, 4G, eles usaram produtos MathWorks de Model-Based
Design, o que demonstra um bom exemplo da aplicação do programa. (The
Mathworks, Inc. 2013)
Juyul Lee considera que o projeto não teria sido bem sucedido se tivessem
utilizado um método de design baseado em C. Por outro lado, Juyul sublinha
também que a aplicação do Model-Based Design Simulink permitiu que o prazo
desejado fosse cumprido. (The Mathworks, Inc. 2013)
A equipa ETRI necessitava de provar a viabilidade e os benefícios do sistema
4G utilizando um protótipo FPGA. O sistema necessitava não só de manter
The Mathworks, Inc. 2013"Synchronizer FPGA". Acedido a 20 de Outubro de 2013. http://www.mathworks.com/cmsimages/43918_wm_synchronizer_fpga_w_8532.jpg
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conecções móveis claras para, por exemplo, passageiros dos transportes públicos,
mas também permitir transmissão de dados de alta velocidade para lidar com voz e
vídeo. (The Mathworks, Inc. 2013)
O fator de sucesso mais desafiador era o tempo: todo o ciclo de
desenvolvimento, desde o desenvolvimento do algoritmo até à verificação do nível
do sistema, teve que ser concluído no prazo de um ano, para acompanhar as outras
empresas de comunicação comerciais e de pesquisa que estão a propor normas 4G.
(The Mathworks, Inc. 2013)
Uma abordagem baseada em C não proporcionou um ambiente flexível para
projetar todo o sistema. O ETRI precisava de um ambiente de desenvolvimento de
software integrado para a modelizagem de todo o sistema, realizando interações de
projeto, e considerando compensações de desempenho, para que se pudesse estar
confiante nos seus resultados. (The Mathworks, Inc. 2013)
Assim, o ETRI usou Model- Based Design para projetar o algoritmo de
sincronização do modem, tanto para o emissor como para o receptor. Modelizou-se
e simulou-se o sistema e verificou-se o código HDL antes da implementação no
FPGA. (The Mathworks, Inc. 2013)
Juyul Lee mais uma vez sublinha que utilizando um processamento baseado
num determinado quadro e nas capacidades de amostragem do Simulink e do DSP
System Toolbox™ foi permitido modelizar um sistema que estava muito perto da
verdadeira implementação de hardware. (The Mathworks, Inc. 2013)
Os engenheiros da ETRI usaram Simulink para desenvolver o seu modelo
flutuante. Incorporaram o legado do código C no modelo utilizando Simulink S-
functions e projetaram as variáveis do modelo com o MATLAB. (The Mathworks, Inc.
2013)
Aceleraram o seu sistema empregando uma variedade de técnicas de
processamento presente no Signal Processing Toolbox e no DSP System, bem
como parcelas gráficas, modelos de canais e outros algoritmos de comunicação do
Communications System Toolbox™. (The Mathworks, Inc. 2013)
Depois de concluírem a codificação de HDL para o receptor, ETRI utilizou o
modelo de ponto fixo como uma especificação executável para verificar o seu código
antes da implementação no Xilinx Vertex-II FPGA. (The Mathworks, Inc. 2013)
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Depois de mais algum trabalho, os engenheiros do ETRI completaram assim
com sucesso o desenvolvimento do protótipo que demonstrou as suas capacidades
e competências. E ainda continuam a usar ferramentas MathWorks para aumentar a
taxa de dados e de cobertura do sistema. (The Mathworks, Inc. 2013)
Depois do desenvolvimento deste protótipo podemos apresentar os seus
progressos:
Ciclo de desenvolvimento encurtado. Com as ferramentas MathWorks
para Design Model-Based, os engenheiros do ETRI reduziram
consideravemente o tempo de desenvolvimento em 50 por cento em relação
aos seus métodos anteriores baseados na linguagem C..
Propriedade intelectual segura. os engenheiros do ETRI aplicaram
rapidamente as suas ideias para criar o sistema de telecomunicação móvel
de alta velocidade de próxima geração. Isto permitiu-lhes patentear a sua
propriedade intelectual.
Resultados fiáveis alcançados. Realizaram a análise e verificação funcional
num modelo que se assemelhava muito ao sistema protótipo de hardware,
reduzindo o tempo de correção e garantindo resultados precisos. (The
Mathworks, Inc. 2013)
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4.2 - Melhorar o processo de design dos semicondutores
Para desenvolver dispositivos menores e mais eficientes, que integram áudio,
vídeo, comunicações sem fios e outros recursos, os engenheiros eletrónicos e de
semicondutores dependem do MATLAB e do SIMULINK. Eles utilizam as suas
ferramentas para explorar e validar algoritmos e projetar sistemas em horas ou dias,
em vez de semanas, como fariam caso o programa não existisse. (The Mathworks,
Inc. 2013)
Ao executarem algoritmos e
modelos de sistemas com essas
ferramentas, os engenheiros
conseguem colaborar mais eficazmente-
entre digital, analógico e equipas de
design da lógica de controlo - e para
além das fronteiras geográficas. O
MATLAB e o SIMULINK são vastamente
usados em produtos eletrónicos e
empresas de semicondutores, bem
como as grandes indústrias que integram componentes eletrónicos, tais como a
aerospacial e defesa, automóvel e comunicações. Para além disso, os engenheiros
de semicondutores usam os modelos do MATLAB e do SIMULINK como referências
quando criam circuitos de baixa tensão. Estes modelos integram-se com
ferramentas de design analógico para servirem como equipamento de teste, para
rápida e rigorosamente verificar a interface analógica-digital. (The Mathworks, Inc.
2013)
“Semicondutores”. Acedido a 18 de Outubro de 2013. http://battlenerds.files.wordpress.com/2008/10/semiconductors_385x261.jpg?w=450
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5 - Conclusão
Em tempos de desenvolvimento tecnológico, é útil para qualquer equipa de
engenheiros, desenvolver projetos no menor intervalo de tempo possível e com
sucesso. Para estes fins é, muitas vezes, usado o MATLAB, ou simulink (para
realizar a simulação de projetos).
Em alguns dos projetos, o MATLAB também contribui para a redução de custos
do projeto, permitindo assim que as empresas poupem milhões de dólares.
Consequentemente, as empresas realizam mais projetos que contribuem para o
desenvolvimento tecnológico , de forma a melhorar a qualidade de vida.
Também existem projetos que dependem completamente do uso do MATLAB ou
Simulink, como o desenvolvimento de dispositivos menores e mais eficientes, que
integram áudio, vídeo, comunicações sem fios, entre outros. Estas toolbox são
vastamente usadas em produtos eletrónicos e empresas de semicondutores, bem
como as grandes indústrias que integram componentes eletrónicos.
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6 - Referências bibliográficas
6.1 - Sites:
The Mathworks, Inc. 2010. Acedido a: 16 de Outubro de 2013.
http://www.mathworks.com/company/user_stories/Horizon-Wind-Energy-Develops-
Revenue-Forecasting-and-Risk-Analysis-Tools-for-Wind-Farms.html
The Mathworks, Inc. 2010. Acedido a: 13 de Outubro de 2013.
http://www.mathworks.com/company/user_stories/CARCO-Electronics-Reduces-
Development-Costs-by-30.html
The Mathworks, Inc. 2010. Acedido a: 20 de Outubro de 2013.
http://www.mathworks.com/company/user_stories/Simulink-Helps-PNNL-Create-
Vibration-Free-Robotic-Control-System.html
The Mathworks, Inc. 2010. Acedido a: 20 de Outubro de 2013.
http://www.mathworks.com/company/user_stories/ETRI-Develops-Modem-
Synchronization-Technology-for-Fourth-Generation-Mobile-Telecommunications-
System.html
The Mathworks, Inc. 2010. Acedido a: 19 de Outubro de 2013.
http://www.mathworks.com/electronics-semiconductors/semiconductors.html
6.2- Livro:
Chapman, Stephen. 2008. MATLAB Programming for Engineers. 4ª Edição. Canada:
Brooks/Cole – Thomson Learning.
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6.3- Relatórios:
Mazi, Renan e Arnaldo Junior. 2009. Instituto Tecnologico da Aeronautica. Acedido a
10 de Outubro de 2013.
http://www.bibl.ita.br/xvencita/FUND05.pdf
Foresti, Renan e Flávio Lorini. n.d. Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
Acedido a 20 de Outubro de 2013.
http://www.grima.ufsc.br/cobef4/files/161035330.pdf