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Title in Portuguese: Projeto de uma nova topologia de motor esférico e controle em malha aberta utilizando inteligência artificial
Author: Souza, Kleymilson do Nascimento
Advisor(s): Pontes, Ricardo Silva Thé
Keywords: Engenharia elétrica
Reconhecimento de padrões
Motores
Redes neurais
Inteligência artificial
Pattern recognition
Spherical coordinates
Artificial neural networks
Spherical motor
Positioning control
Issue Date: 30-Nov-2018
Citation: SOUZA, K. do N. Projeto de uma nova topologia de motor esférico e controle em malha aberta utilizando inteligência artificial. 2018. 117 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018.
Abstract in Portuguese: É proposto nesta tese um novo conceito de um atuador esférico, com múltiplos graus de liberdade Multiple Degrees of Freedom (M-DOF), como também é apresentado com detalhes o projeto de um protótipo desenvolvido para validação do novo conceito. Após uma profunda revisão no estado da arte sobre motores esféricos, percebe-se que os principais desafios para a utilização deste motor são: 1) o sistema de controle de posição do rotor; 2) o sistema de monitoramento para determinação, com precisão, da localização do rotor; e 3) o elevado número de bobinas presentes nos protótipos apresentados na literatura. Diferentemente de todos os modelos de motor esférico encontrados, este projeto é inovador por apresentar um conceito minimalista na quantidade e na disposição das bobinas do estator, uma vez que, pelo conceito aqui apresentado, empregam-se apenas três bobinas, o que facilita sua construção e seu sistema de controle. As bobinas do estator estão localizadas no hemisfério inferior do motor. O rotor é composto por um imã permanente de neodímio-ferro-boro, o qual está preso a um sistema de eixos que possibilita o movimento típico de um giroscópio, podendo alcançar qualquer posição sobre o hemisfério superior. Com vistas a se identificar corretamente o posicionamento do rotor, foi adaptada uma haste ao seu redor, que, através de reconhecimento de padrões de imagens, define sua posição. As correntes nas bobinas são controladas, individualmente, por um circuito que utiliza um micro controlador ARM Cortex-M3 e um drive de corrente com o circuito integrado LMD18200. De acordo com as correntes que são aplicadas nas bobinas, um campo magnético resultante faz o eixo do rotor mover-se para uma determinada posição na área de atuação. Para a localização da haste móvel, foi usado um sistema de monitoramento por câmera, que captura a imagem da haste na superfície do motor esférico. Com um algoritmo de reconhecimento de padrões foi possível se identificar e se calcular a posição para onde aponta o eixo do rotor em coordenadas esféricas, gerando um banco de dados que relaciona as correntes nas bobinas e a posição do rotor. Com uma série de dados (correntes x posição) coletados, foram utilizados algoritmos baseados em inteligência artificial, que foram treinados e aprenderam, com os exemplos, quais conjuntos de correntes deviam ser aplicados nas bobinas do estator para se posicionar o rotor em uma coordenada desejada, ou se determinar uma sequência de correntes para que o rotor seguisse uma determinada trajetória na superfície esférica.
Abstract: A new concept of a spherical actuator with multiple degrees of freedom (M-DOF) is proposed in this thesis. It is also presented, with details, the design of a prototype developed for the validation of the new concept. After a thorough review of the state of the art on spherical motors, it can be seen that the main challenges for the use of this motor are: 1) the position control system of the rotor; 2) the monitoring system for precise determination of the rotor location; and 3) the great number of coils present in the prototypes exhited in the literature. Unlike all the spherical motor models found, this design is innovative because it presents a minimalist concept in the quantity and in the arrangement of stator coils, taking into account that it proposes only three coils, which facilitates its construction and its control system. The stator coils are located in the lower hemisphere of the motor. The rotor is composed of a permanent magnet of ironboron-neodymium, which is attached to a system of axes that allows the typical movement of a gyroscope and can reach any position on the upper hemisphere. In order to correctly identify the positioning of the rotor, a rod was adapted to it, which, by means of image recognition, defines its position. The coil currents are individually controlled by a circuit that uses an ARM Cortex-M3 micro controller and a current drive with the LMD18200 integrated circuit. According to the currents that are applied to the coils, a resulting magnetic field causes the rotor shaft to move to a certain position in the actuation area. For the location of the movable rod, it was used a camera monitoring system, which captures the image of the rod on the surface of the spherical motor. With a pattern recognition algorithm, it was possible to identify and calculate the position to which the rotor axis points in spherical coordinates, generating a database that relates the currents in the coils and a rotor position. With a series of data (currents x position) collected, artificial intelligence based algorithms were used and trained, that learned, from the examples, which sets of currents must be applied to the stator coils in order to position the rotor in a desired coordinate, or determine a sequence of currents for the rotor follows a certain trajectory on the spherical surface.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/39964
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