atividades de pesquisa 2009 grupo de robótica, automação e visão computacional - grav...

Atividades de pesquisa 2009

Grupo de Robótica, Automação e Visão Computacional - GRAV

Laboratório de Automação, Visão e Sistemas Inteligentes - LAVSI

Departamento de Engenharia Elétrica – ENE/FTUniversidade de Brasília - UnB

UnB

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GRAV/ENE-UnB

Departamento de Engenharia Elétrica – UnB Controle e Automação, Telecom, Eletrônica, Potência e Redes

GRAV – Grupo de Robótica, Automação e Visão Computacional LAVSI – Laboratório de Automação, Visão e Sistemas Inteligentes LARA – Laboratório de Robótica e Automação LCVC – Laboratório de Controle e Visão por Computador

Corpo docente Prof. Dr. Adolfo Bauchspiess Prof. Dr. Geovany Araújo Borges Prof. Dr. João Yoshiyuki Ishihara Prof. Dr. Marco A. F. Egito Coelho

UnB

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Projetos - LAVSI

LEARn – laboratório de ensino para automação remota; Carcarah/Plena – inspeção de linhas de transmissão com VANTs; SAPIEn – FAP-DF; LabInov – FINEP - Ambientes Inteligentes wireless; CT-Energ – CNPQ/MCT; PROBRAL – projeto de cooperação universitária Brasil-Alemanha

(CAPES-DAAD); Universidade de Kaiserslautern

Sistemas Híbridos Networked Control Systems

UnB

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LEARnLaboratório de Ensino para Automação Remota

UnB

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LEARn

Resumo: Este artigo apresenta o Laboratório de Ensino de Automação Remoto (LEARn-UnB) que é utilizado como ferramenta de ensino de controle e automação para estudantesde Engenharia Elétrica e de Engenharia Mecatrônica da Universidade de Brasília. Aopção pela experimentação remota considerou a conveniência do compartilhamento deexperimentos com outras universidades, o compartilhamento de experimentos com amesma infra-estrutura de software e a necessidade de atender aproximadamente 60 alunosem cada semestre. Os experimentos atualmente oferecidos são: linearização experimentalem ponto de operação, projeto PID, compensador em avanço-atraso e espaço de estados.Estes experimentos são realizados em um processo de nível de líquidos que pode serconfigurado como planta não-linear de 1ª, 2ª ou 3ª ordem. Os projetos de controleoferecidos aos alunos são muito importantes para a fixação dos conceitos teóricos decontrole dinâmico, uma vez que ruídos, dinâmica não modelada e saturação, semprepresentes em sistemas reais, devem ser convenientemente interpretados pelos alunos. Esteaspecto “presencial” distingue o LEARn de diversos laboratórios virtuais disponíveis naInternet, onde apenas equações diferenciais “ideais” são simuladas. No LEARn-UnB umservidor Web controla o acesso, a execução e os resultados dos experimentos que tambémsão armazenados em um banco de dados, possibilitando uma posterior análise, verificaçãoe acompanhamento do uso e dos resultados pelos professores e monitores. Neste trabalhoalém da infra-estrutura do laboratório também são apresentados resultados e análise douso do laboratório pelos alunos de controle dinâmico da UnB, obtidos por meio dequestionários específicos.

UnB

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LEARn

3 tanques

4 tanques

Laboratório de Ensino para Automação Remota

UnB

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Carcarah/PlenaProjeto GRAV – LAVSI / LARA

UnB

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Carcarah/Plena

Inspeção tradicional em linhas de transmissão: Inspeção aérea utilizando um helicóptero Equipe em terra

Processo dispendioso e de alto custo

Projeto GRAV – LAVSI / LARA

UnB

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Expansion/ANEEL

Sistema computacional autônomo de inspeção visual em linhas de transmissão de energia elétrica

Detecção de falhas nas garras dos espaçadores das linhas

UnB

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Carcarah/Plena

Adaptação de veículos aéreos não-tripulados (VANTs) Projeto de pesquisa UnB – Plena Transmissoras

Desenvolvimento de um VANT para auxílio à inspeção de linhas

UnB

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Carcarah/Plena

Veículo aéreo não-tripulado (VANTs) baseado em helimodelo; Sistemas embarcados:

Sistema de controle e localização baseado em central inercial; Adaptação de distribuição linux em tempo real para rodar em compact flash; Câmeras móveis (Pan Tilt) auxiliares no pouso e decolagem.

Simulador para avaliações offline.

UnB

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Carcarah/Plena

Veículo aéreo não-tripulado (VANTs) baseado em helimodelo; Sistemas embarcados:

Sistema de controle e sistema de localização baseado em central inercial; Adaptação de distribuição linux em tempo real para rodar em compact flash; Câmeras móveis (Pan Tilt) auxiliares no pouso e decolagem.

Simulador para avaliações offline.

UnB

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Expansion/ANEEL

Veic. aereo não tripulado, com controlador embarcado, central inercial embarcada, (imu militar, magnetrometo, sonar, altimetro, GPS);

Sist. De localização que através da central inercial permite que ele se estabilize sozinho em voo, ou seja, o operador em terra passa apenas as refêrencias de velocidade e comandos simples (cima, baixo, esq, direita);

Modo de operação rádio controlado e assistido. Computador rodando em tempo real (xenomai); I.E. adaptação de uma

distribuição linux em tempo real para rodar em uma compact flash (feita no laboratório)

Câmeras móveis (pan-tilt) controlado pelo controle remoto (Auxiliam na aterrisagem e decolagem);

Transmissão de dados via socket (imagem e log de voo).

UnB

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Carcarah/Plena

Modelo simplificado no LAVSI

Detecção de falhas nas garras dos espaçadores das linhas

UnB

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Carcarah/Plena

Falha na garra Falha na garra

Falha na garra Sem falha

Classificador utilizando RNA 120 imagens: 60% treinamento; 20% validação e 20% teste.

UnB

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Carcarah/Plena

UnB

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Carcarah/Plena

UnB

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Automação predial inteligente

Projeto PROBAL – CAPES /DAAD “Networked Control with Distributed Processing for Building

Automation in an Ambient Intelligence Framework”

Ambient Intelligence “Rede de sensores e atuadores provendo diversos

serviços de forma invisível aos usuários

Exemplos de serviços: Conforto térmico; Economia de energia; Segurança; Assisted Living.

UnB

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Climatização Conforto e economia de energia

ZigBee Wireless Sensor Network Facilidade de retrofitting; Flexibilidade de implementação de sensores e atuadores; Fornecer diversos serviços aos usuários.

UnB

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Climatização Conforto e economia de energia

ZigBee Wireless Sensor Network Facilidade de retrofitting; Flexibilidade de implementação de sensores e atuadores; Fornecer diversos serviços aos usuários.

UnB

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Automação predial inteligente ZigBee

Desenvolvido por um consórcio de empresas (ZigBee Alliance) em conjunto com o IEEE, gerando o protocolo IEEE 802.15.4;

Projetado especialmente para ser utilizado em aplicações de sensoriamento, controle e acionamento de dispositivos;

Baixa taxa de transmissão; Baixo Alcance de Rede; Baixo Consumo; Baixo Custo; Freqüência de Operação: 2.4GHz (ISM) Protocolos Concorrentes: Wi-Fi, Bluetooth.

X-BeeEmpresa DigiAlcance: entre 30 e 100 m

ZigBitEmpresa MeshBeanAlcance: entre 100 e 300 mMicrocontrolador ATmega 1281VTransceiver RF AT86RF230

UnB

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Ar condicionado convencional Automação em ambientes isolados; Automação em ambientes com carga térmica compartilhada.

Ar condicionado híbrido Desenvolvimento e automação em ambientes isolados.

Serviços ao usuário Sistema de localização indoor

Laboratório de Automação, Visão e Sistemas Intelingentes - Grupo de Robótica, Automação e Visão Computacional - ENE/FT/UnB

Ar Condicionado Convencional

Ar condicionado Split com capacidade 22.000 BTU/h Unidade interna (evaporadora) Unidade externa (condensadora) Sensor temperatura na unidade interna

UnB

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Ar condicionado convencional: Controle fuzzy em ambientes isolados:

Simulações:

UnB

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Ar condicionado convencional: Controle fuzzy em ambientes isolados:

Resultados:

Con

trol

e O

n-O

ffC

ontr

ole

Fuzz

y

30% de Economia

UnB

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Ar condicionado convencional: Automação em ambientes com carga térmica compartilhada:

Ambientes de testes:

UnB

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Ar condicionado convencional: Automação em ambientes com carga térmica compartilhada:

Ambientes de testes:

UnB

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Ar condicionado convencional: Controle on-off em ambientes com carga térmica compartilhada:

Objetivo: Verificar a influência do posicionamento dos sensores Rede implementada:

UnB

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UnB

31/17




UnB

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Diferenças no posicionamento dos sensores:

Sens

ores

de

Ret

orno

do

arSe

nsor

es

cent

rali

zado

s

21% de Economia

UnB

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Ar condicionado convencional: Controle fuzzy em ambientes com carga térmica compartilhada:

Rede implementada:

UnB

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Ar condicionado convencional: Controle fuzzy em ambientes com carga térmica compartilhada:

Resultados:

Con

trol

eFu

zzy 18% de

Economia

Con

trol

eO

n-of

f

UnB

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Ar condicionado híbrido: Ar condicionado convencional + evaporativo:

Ambientes de implementação:

UnB

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Módulos:

Módulo atuador (bomba, ventilador e compressor)

Módulo Interno(temperatura, umidade e Radiação térmica)

Módulo Interno(temperatura, umidade e Radiação térmica)

Módulo Externo(temperatura, umidade e Radiação solar)

Módulo Externo(temperatura, umidade e Radiação solar)

Módulo móvel (temperatura, umidade, velocidade do ar)

Módulo Coordenador/PC

UnB

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Software Supervisório:

UnB

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Serviços Wireless Sensor Network: Sistema de localização indoor:

Motivação:

UnB

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AoA – Angle of Arrival: Ângulo do alvo com relação a um referencial; Antenas com padrão de radiação anisotrópico conhecido.

ToA – Time of Arrival: Tempo de um sinal transmitido do alvo até uma base; Velocidade de propagação do sinal previamente conhecida; Usualmente, utilizado com sinais de ultrasom.

RSSI– Received Signal Strength Indication: Atenuação da potência do sinal transmitido; Um dos métodos mais suscetíveis a perturbações; Não costuma necessitar de dispositivos adicionais.

UnB

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Triangulação hiperbólica baseada em RSSI:

UnB

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UnB

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UnB

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Mapeamento utilizando RNA e leituras RSSI: Treinamento: Feedforward-Backpropagation Conjunto de dados: 80% Treinamento e 20%

ValidaçãoNível do Sinal - mód. 1

Nível do Sinal - mód. 2

Nível do Sinal - mód. N

Posição do módulo no eixo X



Nível do Sinal - mód. N

1ª Rede Neural

Posição do módulo no eixo Y

...

...

2ª Rede Neural

UnB

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Estágio Offline:

Triangulação Hiperbólica: Cálculo da constante K.

Mapeamento do ambiente: 110 Posições distintas; Várias leituras RSSI

em cada posição.

UnB

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Resultados:

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Dis

crepânci

a (

m)

Pontos de Medição

Mapeamento de Ambiente com RNAs

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Dis

cre

pâ

nci

a (m

)

Pontos de Medição

Triangulação Hiperbólica

Pontos de Menor Erro Centro da Área de Provável Localização

UnB

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Sistemas de Controle em Rede

AtuadorAtuador Planta FísicaPlanta Física SensoresSensores

ControladorControlador

hup(t) yp(t)

uc(t)yc(t)

Sistemas de controle discretos com transmissão perfeita:

UnB

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hup(t) yp(t)

uc(t)yc(t)

Rede de Comunicação Atrasos Perda de pacote

Rede de Comunicação Atrasos Perda de pacote

Sistemas de controle em rede:

UnB

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Sistema de Controle em Rede

Sistemas de Controle em Rede: Aplicações:

Controle através de rede de sensores; Cirurgias remotas; haptics collaboration over the Internet Controle de veículos aéreos não-tripulados; Sistema de rodovias automatizadas.

UnB

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hup(t) yp(t)

uc(t)yc(t)

Rede deComunicação


Ex.: Tempo de processamento dos dados do sensores muito grande Controle e estimação da posição de robôs com imagem

UnB

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hup(t) yp(t)

uc(t)yc(t)



UnB

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Sistemas de Controle em Rede: Atrasos induzidos pela rede:

Constantes ou variáveis; Diminuem a performance de controladores que desconsideram o atraso; Podem levar o sistema a instabilidade.

Perda de pacotes: Ao contrário da teoria de comunicação, não deve haver retransmissão de dados; Podem levar o sistema a instabilidade;

UnB

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Sistemas de Controle em Rede: Modelamento (figura do atraso) e informação sobre h, tau etc..:

UnB

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Sistemas de Controle em Rede: Modelamento (equações)

UnB

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Sistemas de Controle em Rede: Análise de estabilidade (copiar equações (2-slides))

UnB

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Sistemas de Controle em Rede: Análise de estabilidade (Resultados comparativos)

UnB

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Sistemas de Controle em Rede: Análise de estabilização (resultados)

UnB

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Sistemas de Controle em Rede: Protótipo

UnB

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Perguntas?

OBRIGADO A TODOS

PELA ATENÇÃO!!!

http://grav.unb.br http://www.ene.unb.br/~adolfo http://www.lara.unb.br/~figueredo

atividades de pesquisa 2009 grupo de robótica, automação e visão computacional - grav...

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