Mestrado em Automação e Controle de Processos

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Desenvolvimento de ambiente operacional ROS para Quad-Rotores
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 2017) Silva, Raphael de Abreu Alves e; Caporali, Alexandre Simião
A concepção de robôs tem se tornado cada vez mais comum tanto em ambiente acadêmico como em setores profissionais e amadores, isto é alavancado pela redução dos custos de componentes e da elaboração de ferramentas gratuitas, tais como: ROS; Arduíno; e Linux. Um dos grandes obstáculos dessa tarefa de elaborar sistemas robóticos é a integração dos diversos componentes construtivos, estes fabricados por diferentes empresas e com metodologias de uso diversos. Este trabalho visa a elaboração de um sistema operacional utilizando o ambiente de desenvolvimento ROS (Robot Operating System – Sistema Operacional para Robôs), o qual propõe a melhora da integração de subsistemas e componentes pertencentes a robôs, sejam estes, sensores, computadores ou um grupo de atuadores, com um ambiente que favorece a concepção em diversas frentes concomitantes, mantendo a coesão do sistema. Outro fator fundamental é que ROS é um ambiente gratuito com grande comunidade colaborativa, oferecendo diversos módulos de funcionalidades específicas (operação remota, controle de posição) e exemplos disponíveis para o uso. A maior contribuição desse trabalho é a elaboração de um sistema que possa auxiliar na expansão de tecnologias aplicadas para robôs do tipo quad-rotor, possibilitando avanços mais rápidos e em harmonia com o que tem sido utilizado por outros pesquisadores.
Desenvolvimento de sistema instrumentado de segurança baseado em FPGA
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 18/08/2017) Santos, André Tiago; Caporali, Alexandre Simião
Sistemas de Segurança (ou Interfaces de Segurança) são equipamentos de extrema importância em ambientes industriais diversos, desde metalúrgicas até petroquímicas e indústrias nucleares. Os Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são utilizados para monitorar a condição de valores e parâmetros de uma planta industrial, dentro dos limites operacionais e quando houver condições de riscos devem gerar alarmes e colocar a planta em uma condição segura ou mesmo na condição de desligamento (shutdown). Seu objetivo principal é evitar acidentes dentro e fora das fábricas, como incêndios, explosões, danos aos equipamentos, proteção da produção e da propriedade e mais do que isto, evitar riscos de vidas ou danos à saúde pessoal e impactos catastróficos para a comunidade. Este trabalho apresenta um estudo sobre um Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) de arquitetura 1oo1, a partir de simulação, testes experimentais e o desenvolvimento de um protótipo, constituído por hardware e software embarcado em dispositivo FPGA, que em conjunto, permitiram analisar e determinar as condições de riscos e diagnóstico de falhas do SIS. Os resultados obtidos demonstraram que o sistema proposto funcionou satisfatoriamente.
Desenvolvimento do controle nebuloso aplicado a quadrotor
(05/10/2016) Yamamoto, Erick Toshio; Caporali, Alexandre Simião
O presente trabalho trata do desenvolvimento de um quadrotor utilizando controladores nebulosos (Fuzzy), implementado no LabVIEWTM. Primeiramente é apresentado um breve histórico sobre quadrotores e uma introdução à lógica fuzzy. Seguido de uma visão geral da dinâmica do sistema a ser implementado e de sua modelagem matemática utilizando o formalismo Newton-Euler. A partir das equações obtidas na modelagem implementa-se um modelo virtual utilizando o software LabVIEWTM, e então cada subsistema é descrito detalhadamente e também o controlador fuzzy. Propõe-se também um protótipo descrevendo cada componente necessário e análise do controle nebuloso aplicado a ele. Por fim, apresenta-se os resultados obtidos do simulador e do sistema real.
Diagnóstico e tratamento de falhas em sistemas instrumentados de segurança utilizando redes digitais de comunicação
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 31/03/2015) Garcia, Maurício; Caporali, Alexandre Simião
Este trabalho apresenta uma proposta para o diagnóstico e tratamento de falhas nos projetos de Sistemas Instrumentados de Segurança – SIS, utilizados principalmente na indústria de processos. O diagnóstico e tratamento de falhas fazem parte dos requisitos necessários para a determinação do Nível de Integridade Segura – SIL de uma planta de acordo com a norma internacional IEC61508. Através de um protótipo de estudo, os alarmes de falhas puderam ser monitorados em um terminal inteligente de válvulas com protocolo de comunicação digital. Os tempos de resposta apurados entre sinais simulados e seus respectivos diagnósticos nos módulos de entradas e saídas digitais, apresentaram velocidades adequadas à sua utilização em escala industrial.
Estudo sobre a transmissão de dados via rede de energia elétrica em ambiente industrial através do padrão G3-PLC
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 27/03/2014) Pereira, Samuel Castro; Caporali, Alexandre Simião
Transmitir dados via rede de energia elétrica, quando feito de forma robusta e confiável, ou seja, sem interrupções ou perda de dados mesmo diante de diferentes tipos de interferências, apresenta vantagens que podem viabilizar seu uso em situações onde outros meios de transmissão podem ser inviáveis ou apresentar alto custo de instalação. Essa técnica conhecida como PLC (do inglês Power Line Communication – comunicação sobre rede de energia), embora antiga, tem sido muito pouco utilizada devido à falta de confiabilidade que apresentava no passado. Na prática, até pouco tempo, o uso dessa técnica em ambiente industrial era algo impensável, visto que nesses locais, a rede elétrica é sujeita a diversos tipos de interferências eletromagnéticas e outros fatores que provocam atenuação do sinal transmitido ao longo da rede elétrica. Na indústria, a tecnologia PLC poderia reduzir custos e tempo com infraestrutura, e em determinadas situações superar com vantagens “tecnologias concorrentes” (tecnologia sem fio, por exemplo). A proposta desse trabalho é apresentar um estudo sobre o uso do padrão G3-PLC (padrão de comunicação através da rede de energia elétrica desenvolvido em 2010 e pouco utilizado na indústria até o momento) em ambientes industriais, determinando o desempenho e as características desta tecnologia diante das dificuldades presentes nestes locais. Foram feitos testes com um par de MODEMs que utilizam o padrão G3-PLC, transmitindo dados através de linhas de transmissão em um ambiente industrial simulado fisicamente. Os resultados foram analisados a fim de determinar o desempenho da tecnologia PLC e seu potencial para uso na indústria.
Modelagem e controle de um quadrotor utilizando controlador Fuzzy
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 2015) Farias, Rafael Vilhena de; Caporali, Alexandre Simião
Esta dissertação tem por objetivo a modelagem matemática e o controle de um VANT (veiculo aéreo não tripulado) de quatro hélices conhecido como quadrotor. Para isto o enfoque consiste no controle da inclinação utilizando um controlador fuzzy devido a imprecisões inerentes do modelo, focando no controle de sua inclinação. A modelagem matemática é feita para o corpo do quadrotor, separada entre modelagem estática, dinâmica e integrando ambas posteriormente. Para os propulsores, componentes responsáveis por manter o quadrotor em voo, é proposta a identificação do sistema com base em ensaios de entrada-saída, verificando o tempo de resposta dos motores e a relação indireta entre tensão aplicada e empuxo gerado. São efetuadas simulações em torno da estabilidade do sistema e comprovada a possibilidade da utilização de um controlador fuzzy para estabilizar o sistema. Finalmente, são utilizados um acelerômetro e um giroscópio tri axial para construção de um modelo para testes práticos, verificando a dificuldade na utilização destes quando o quadrotor tem seus propulsores ligados devido à vibração, desenvolvido sistema de fusão de sensores utilizando algoritmo com filtro de Kalman efetuando a fusão entre os sinais gerados pelos sensores inerciais e constatando o bom comportamento do filtro proposto.
Prototipagem de algoritmos para controle de cadeiras de rodas motorizadas utilizando arquitetura multiagente, simulador GAZEBO e MATLAB
(IFSP, 08/04/2016) Laranjeira, Luciano Ricardo Corrêa; Caporali, Alexandre Simião
Há uma tendência mundial no envelhecimento da população e a crescente demanda por cadeiras de rodas. O uso de cadeiras motorizadas requer uma série de cuidados (treinamento e indicação médica) para evitar acidentes. A complexidade envolvida em sua operação restringe sua ampla utilização por pessoas com alguma limitação de locomoção. Mesmo aqueles que possuem indicação de uso, passam por um período de treinamento e adaptação. Sistemas de controle que auxiliam ou automatizam a dirigibilidade de cadeiras de roda foram amplamente estudados neste trabalho. Eles abordam problemas variados como, por exemplo, colisão, tração, interpretação de linguagem natural e interação com o navegador (Joystick), utilizando-se de diferentes técnicas de controle como lógica Fuzzy, computação visual, análise de atividade cerebral (Brain Computer Interface), movimento da língua e vários tipos de sensores e estratégias. Entretanto muitos trabalhos são independentes e de difícil reprodução (necessita de hardware específico ou faltam informações). O surgimento de plataformas de desenvolvimento que promovem a reutilização de código, como o ROS, criou um ambiente favorável à troca de conhecimento entre pesquisadores e agilidade no desenvolvimento de controles complexos. Outra vantagem é a possibilidade de testar a solução em ambientes simulados. Este trabalho propõe o uso do ROS, simulador 3D GAZEBO e MATLAB para prototipagem rápida de algoritmos para controle de cadeira de rodas motorizadas com objetivo de explorar características que favoreçam o surgimento de equipamentos a preços mais acessíveis em países em desenvolvimento. Os resultados obtidos mostram que essa técnica é viável. Para se chegar a essa conclusão, testes foram realizados com uma cadeira de rodas virtual. Antes disso, porém, abordou-se o processo de instalação das ferramentas, a criação da cadeira de rodas motorizada virtual e o desenvolvimento de um algoritmo anticolisão utilizando MATLAB Simulink. Integrado a um sistema de controle proporcional, o algoritmo anticolisão processa dados de sensores sonar e, então, atua sobre os motores do veículo para impedir colisões.
Sistema de identificação de falhas em escadas rolantes utilizando redes neurais artificiais
(IFSP, 05/10/2015) Alves, Alessandro Lins; Caporali, Alexandre Simião
Escadas Rolantes são importantes meios de locomoção dentro de sistemas metro-ferroviários. Em caso de falhas, elas podem parar bruscamente, podendo gerar graves acidentes. Desta forma, é fundamental que a detecção das falhas neste equipamento ocorra de forma correta. O objetivo deste trabalho é diminuir a incidência de paradas desnecessárias nas escadas rolantes, evitando assim graves acidentes, transtornos aos usuários e também diminuindo custos com manutenção. Para isto, foi desenvolvido um dispositivo de baixo custo para captar os dados vibracionais de uma escada rolante. De posse destes dados, foi realizado um estudo de viabilidade da utilização de uma rede neural artificial do tipo mapa auto-organizável, para que estes dados fossem classificados corretamente e com isto o sistema pudesse diferenciar uma falha real de uma falsa falha em uma escada rolante. O modelo proposto obteve 77,67% de acerto na classificação das falhas, em relação a outros tipos de sinais provenientes da vibração das escadas rolantes.
Sistema de medição para determinar a influência da variação do dimensional de bicos conta-gotas na variação do tamanho da gota de colírio
(IFSP, 2016) Machado, Edicley Vander; Caporali, Alexandre Simião
No tratamento de doenças oftalmológicas crônicas, faz-se necessário uso de medicação via tópica com a aplicação de solução oftálmica aquosa. A forma preferida de dosagem de fármaco, continua sendo instilar gotas de colírio no interior do saco conjuntival inferior. A aplicação de colírio é conhecida como problemática em virtude da variação no tamanho da gota relacionada a capacidade da área pré-corneal de 20μl. O excesso de colírio gera desperdício de fármaco, consequentemente, aumento no custo do tratamento e risco de efeitos adversos devido a absorção sistêmica via mucosa nasal. Entre os fatores que influenciam no tamanho da gota de colírio, está a conformação interna das aberturas dos bicos conta-gotas. Este trabalho determina a influência da variação dos diâmetros das aberturas dos bicos conta-gotas, provenientes do processo de produção, no tamanho da gota de colírio. Foi realizada inspeção em 49 bicos de lote único. A inspeção foi dividida em duas etapas: medição das aberturas internas e aberturas externas através de sistema de visão computacional e; medição das massas das gotas, onde um dispositivo de gotejamento automático foi desenvolvido. Os resultados das duas etapas compilados, relacionando as medidas das aberturas com o tamanho das gotas, apontaram que a abertura externa tem influência direta no tamanho das gotas, enquanto a abertura interna tem relação inversa no tamanho das gotas. Considerando um volume médio de gota de colírio de 40μl, um frasco de 5ml entrega 125 gotas, ou seja, uma variação na abertura externa de ±2,3% representa uma variação na gota de ±2,6%, o que corresponde uma redução em até 13 gotas no frasco. Enquanto uma variação no diâmetro da abertura interna de ±14% gera uma variação de ±5,4% no volume da gota, com uma redução de até 27 gotas no frasco. O sistema de visão computacional mostrou-se eficiente na medição das aberturas dos bicos e uma proposta eficaz para controle de qualidade. A adoção de sistema de visão na linha de produção pode aprimorar o controle de qualidade de peças injetadas realizado atualmente na indústria, com inspeção automática não apenas das aberturas externas, assim como as aberturas internas de 100% da produção.
Sistema de posicionamento de um atuador pneumático comandado por válvulas proporcionais reguladoras de pressão
(IFSP, 01/08/2018) Muzy, Gabriel Almeida; Caporali, Alexandre Simião
Este trabalho apresenta um sistema de posicionamento de um cilindro pneumático linear de dupla ação, comandado por duas válvulas 3 vias com modulação proporcional de pressão. As vantagens apresentadas por sistemas pneumáticos quando comparados com sistemas hidráulicos e elétricos tornam este tipo de tecnologia motivo de constante pesquisa no ramo científico. Porém, as não linearidades relacionadas com a utilização do ar comprimido e aos atritos envolvidos em seu movimento tornam o controle complexo e são desafios a serem superados. Neste trabalho, foram elaborados modelos matemáticos para a simulação das respostas do sistema levando em consideração a dinâmica do êmbolo do cilindro, o comportamento do ar comprimido nas câmaras dianteira e traseira, a influência dos atritos estático e dinâmico e a dinâmica das válvulas. Muitos trabalhos sobre esse tema adotam válvulas e modelos matemáticos com controle de vazão mássica de ar. No sistema proposto, o posicionamento é efetuado com controle de pressão. As válvulas adotadas neste trabalho possuem embarcado um controlador proporcional integral derivativo (PID), e trabalham em malha fechada monitorando e controlando os sinais de entrada e saída do processo. Foi utilizado o programa Matlab / Simulink para a realização de simulações computacionais e os resultados foram comparados com as respostas de um sistema real, obtidas através de coleta de dados realizada com o auxílio do programa Labview no protótipo desenvolvido para testes. As curvas obtidas por simulação computacional são apresentadas e comparadas com os dados experimentais. Os resultados foram considerados satisfatórios para utilização em sistemas industriais

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