Resumo

A Comparação Forense de Locutor (CFL) é o exame pericial que tem como tarefa analisar duas amostras de voz e inferir sobre a compatibilidade de suas características. Uma amostra de voz é vestígio de um fato típico penal enquanto a segunda é de um indivíduo conhecido. A CFL difere-se da biometria por voz em vários aspectos. A biometria permite o controle de algumas variáveis não disponíveis na CFL, entre elas, o dispositivo de gravação, ruído de canal, quantidade e duração das amostras, cooperação. Além disso, não existe o risco de associar incorretamente um inocente ou falhar em associar um culpado. Neste cenário, a presente tese apresenta duas linhas de trabalho experimentais dentro do novo paradigma das ciências forenses com resultados baseados em medidas quantitativas, apoiadas por bancos de dados representativos, baseados em modelos estatísticos, e com testes de validação. Os experimentos foram conduzidos utilizando duas bases de dados, para treinamento e validação. Foram avaliados parâmetros como contaminação por canal, relação sinal-ruído (SNR - Signal-to-Noise ratio), e duração das amostras. A primeira linha desenvolveu-se uma solução sintética para o teste de significância genuinamente Bayesiano (FBST - Full Bayesian Significance Test) sobre a média com variância desconhecida propondo uma estimativa por intervalo, denominada intervalo de evidência, aplicável à CFL. Os experimentos com variação da SNR mostraram que o intervalo de evidência reduziu as taxas de erro (Tipo I e Tipo II) em torno de 0, 8%, superando os demais métodos avaliados. A segunda linha propôs a utilização de medidas espectrais de relação sinal-ruído S2NR (Spectrographic Signal-to-Noise Ratio) para separar as características do sinal de voz em conjuntos nebulosos e realizar a comparação de locutores considerando a influência destes conjuntos. Nesta linha de trabalho propôs-se ainda uma adequação para o cálculo das estatísticas de Baum-Welch. Os experimentos, baseados em conjuntos nebulosos, variaram a a SNR e o tamanho das amostras. Os resultados, em relação as outras técnicas, reduziram as taxas de falso positivo (erro Tipo I) em 6% em amostras contaminadas, e apresentaram uma acurácia 3, 4% superior para amostras com limitação de tamanho. Do ponto de vista, prático os resultados são promissores e estão sendo utilizados de forma experimental no Instituto de Criminalística da Polícia Civil de Minas Gerais.

Abstract

Forensic Speaker Comparison (FSC) is an analysis of two voice samples to infer the similarity of their features. One voice sample is a trace of a criminal fact, while the other is from a known individual. FSC differs from voice biometrics in several ways. Biometrics allows the control of some variables not controllable in FSC, among them, the recording device, the channel noise, the quantity and duration of the samples, and speaker cooperation. Also, there is no risk of associating (or failing to associate) an innocent to guilty part. The new paradigm shift of forensic sciences can be characterized as quantitative databased implementation of the likelihood-ratio framework with quantitative evaluation of the reliability of results. This thesis presents two lines of experimental work within the new paradigm shift. The experiments were conducted using two databases for training and validation. Parameters such as noise type and intensity of speech contamination, and duration of the speech sample were evaluated. The first line developed a synthetic solution for the Full Bayesian Significance Test (FBST) over the mean with unknown variance, proposing an interval estimation, hereinafter referred to as evidence interval, applicable to the FSC. In the experiments, variation of the SNR showed the evidence interval reduced error rates (Type I and Type II) by around 0.8%, surpassing other evaluated methods. The second line of investigation proposed the use of Spectrographic Signal-to-Noise Ratio(S 2 NR) measures to separate the signal into fuzzy sets for the comparison of speakers. Moreover, it was also proposed an adaptation for the calculation of the Baum-Welch statistics. Experiments with combinations of SNR and speech size showed the proposed method reduced false-positive rates by 6%, rising also accuracy in 3.4%, compared with other evaluated techniques. The results are promising and are being used experimentally at the Instituto de Criminalística of Polícia Civil de Minas Gerais.

Resumo

O presente trabalho dedica-se a modelar canais de comunicação do tipo PLC (Power Line Communication) em redes de distribuição de média tensão rurais multiaterradas para determinação de sua função de transferência, da atenuação média do canal e da estimativa de sua capacidade de transmissão de dados. Para isso, utiliza-se a modelagem bottom-up, que descreve o comportamento físico das redes e de seus componentes através da utilização das teorias de linhas de transmissão e de circuitos. Para obtenção dos parâmetros de interesse propõem-se: (i) modelos para solução de redes elétricas; (ii) a utilização, para o cálculo dos parâmetros de linha, de uma formulação geral para aplicações em bandas estreita e larga de frequências; e (iii) a inclusão de modelos de aterramentos, de condutores de descida, de cobertura isolante e de solo variável com a frequência na caracterização de canais PLC em redes de distribuição monofásicas com configuração convencional e compacta utilizadas no estado de Minas Gerais. Em banda estreita de frequência, de 3 a 500 kHz, mostra-se que a impedância de aterramento das terminações da linha tem maior influência no desempenho do canal PLC do que a impedância dos aterramentos intermediários do neutro. Mostra-se também que o intervalo entre aterramentos tem mais influência no desempenho do canal do que sua impedância. Verifica-se que a impedância dos condutores de descida e a cobertura isolante do condutor fase de redes compactas monofásicas têm efeito mínimo na determinação de sua função de transferência em aplicações de banda estreita. Por outro lado, deve-se considerar a variação dos parâmetros do solo com a frequência em solos com resistividade superior a 1000 Ωm e frequências acima de 100 kHz nessa faixa de aplicação. Em banda larga de frequência, de 1,7 MHz a 100 MHz, a utilização da cobertura isolante nas redes compactas diminui a atenuação média do canal. A partir de 10 MHz, pode-se desprezar a variação dos parâmetros elétricos do solo com a frequência no cálculo do desempenho do canal. Por fim, conclui-se que a adoção das redes de distribuição compactas como padrão nas zonas rurais é favorável às aplicações de comunicação de dados através de linhas de distribuição de média tensão em bandas estreita e larga de frequências.

Abstract

This work is dedicated to model power-line communication (PLC) channels in multi-grounded medium-voltage distribution lines to determine their transfer function, their average attenuation, and the achievable data rate. For this, the bottom-up approach that describes the physical behavior of line and of their components using transmission line and circuit theories is used. To obtain the relevant parameters for this study, (i) three different solution methods are proposed in the context of PLC; (ii) a general formulation is considered to determine the per-unit-length line parameters of the line, both for narrowband and broadband frequency applications; and (iii) a set of models is considered for representing grounding configurations, down conductors, covered cables and frequency-dependent soil parameters in the characterization of PLC channels in conventional and compact configurations used in single-phase rural distribution lines in Minas Gerais. In narrowband applications from 3 kHz to 500 kHz, it is shown that the grounding impedance at the line ends has a greater influence on the PLC channel performance than the impedance of the grounding points along the neutral. It is also shown that the interval between grounding points along the neutral has a greater influence on the channel performance than their impedance. It is noted that the influence of the down conductor impedance and of the insulating layer that covers the phase conductor in compact distribution lines is minimal in narrowband applications. On the other hand, in this type of application it is necessary to include the frequency variation of the soil electrical parameters with frequency if the soil resistivity is greater than 1000 Ωm and the frequency is greater than 100 kHz. In broadband applications from 1.7 MHz to 100 MHz, it is shown that the insulating layer covering the phase conductor in compact distribution lines decreases the average channel attenuation. For frequencies above 10 MHz, one can disregard the frequency dependence of the soil parameters in the calculation of the channel performance. Finally, it is shown that adopting compact distribution lines in rural areas is favorable to power line communication applications in both narrowband and broadband frequencies.

Resumo

O uso de enxames robóticos pode ser melhor explorado em um futuro próximo devido a suas vantagens, como a redundância por construção e a tendência de redução de custos na fabricação de robôs. Para esse tipo de sistema se tornar viável, precisamos de algoritmos de navegação eficientes para resolver muitos problemas que ainda estão abertos. Este trabalho aborda o problema de segregação em enxames de robôs. Esse problema consiste em segregar robôs heterogêneos, onde grupos menores de robôs homogêneos são formados a partir de um grupo heterogêneo maior e os grupos menores devem segregar. Para resolver o problema da segregação em um enxame robótico deve-se projetar leis de controle individual para fazer com que todos os robôs de um mesmo tipo se agrupem, mantendo distância de outros grupos. Uma vantagem desejável em um enxame de robôs é o controle descentralizado, ou seja, cada robô faz uso apenas de informações locais, disponíveis em seus arredores. Todos os controladores propostos neste trabalho têm algum grau de descentralização, ou seja, os robôs não precisam de informações sobre todo o sistema o tempo todo. Propomos diferentes controladores para robôs modelados como duplo integradores (atuados em aceleração). Apresentamos controladores baseados em duas ideias principais diferentes. A primeira ideia consiste em criar abstrações que representam cada grupo e depois separar as abstrações. Cada abstração é formada usando informações sobre a posição de todos os robôs de um grupo. Depois que as abstrações são criadas, o centro das abstrações é segregado através de forças artificiais provenientes de uma função potencial artificial. Com essa ideia, dois controladores são propostos. O primeiro controlador apresenta alguma descentralização em alguns momentos. Também é apresentado para este controlador um esquema para evitar colisões e uma prova formal de convergência para segregação. No segundo controlador, há mais interesse em usar informações locais. Assim, os estados das abstrações serão obtidos por estimadores descentralizados. As colisões entre robôs não são evitadas e não há prova de convergência, embora o algoritmo seja desenvolvido para facilitar a obtenção de uma possível prova de convergência. A segunda ideia é o uso de pontos virtuais conectados aos robôs, juntamente com um algoritmo de consenso para orientar o movimento dos robôs. Além disso, propomos uma heurística para alterar os pontos virtuais de forma que cada grupo de robôs permaneça junto enquanto segregam dos robôs de outros grupos. Essa ideia também é usada para lidar com um problema de segregação ligeiramente diferente: segregação radial. Nesse problema, todos os robôs devem convergir para um estado onde robôs do mesmo tipo estão posicionados a uma mesma distância em relação a um determinado ponto, enquanto essas distâncias são diferentes para robôs de diferentes tipos. Para todos os controladores, mostramos simulações e, para alguns, também mostramos resultados experimentais. Simulações e experimentos validam as estratégias que permitem um enxame de vários robôs heterogêneos se segregue em grupos.

Abstract

The use of robotic swarms might be better exploited in a near future due to its advantages, such as the redundancy by construction and the tendency of cost reduction in robots fabrication. To this type of system became viable, we need efficient navigation algorithms to solve many issues that are still open. This work tackles the problem of segregation in robot swarms. This problem consists in segregating heterogeneous robots, where smaller groups of homogeneous robots are formed from a bigger heterogeneous group and the smaller groups should segregate. To solve the problem of segregation in a robotic swarm one should design individual control laws to make all robots of one same type form clusters while maintaining distance from other groups. A desirable advantage in a robot swarm is the decentralized control, that is, each robot make use of only local information, available in its surroundings. All the controllers proposed in this work have some degree of decentralization, that is, robots do not need information about all the system all the time. We propose different controllers for robots modeled as double integrators (actuated in acceleration). We present controllers based on two different main ideas. The first idea consists in creating abstractions that represent each group and then separate the abstractions. Each abstraction is formed using information about the position of all robots of a group. After the abstractions are created, the center of the abstractions are segregated through artificial forces that came from an artificial potential function. With this idea two controllers are proposed. The first controller presents some decentralization in some moments. Also presented for this controller is a scheme to avoid collisions and a formal proof of convergence to segregation. In the second controller, there is more interest in using local information. Thus, the states of the abstractions will be obtained by decentralized estimators. Collisions between robots are not avoided and there is no proof of convergence, although the algorithm is developed in order to facilitate that a possible proof of convergence is obtained. The second idea is the use virtual points attached to robots together with a consensus algorithm to guide the movement of the robots. Furthermore, we propose a heuristic to change the virtual points in a way that each group of robots stays together while segregating from robots of other groups. This idea is also used to deal with a slightly different segregation problem: radial segregation. In this problem, all the robots should converge to a state where robots of the same type are positioned at the same distance with respect to a given point while these distances are different for robots of different types. For all the controllers we show simulations, and for some, we also show experimental results. Simulations and experiments validate the strategies that allows a swarm of multiple heterogeneous robots to segregate into groups.

Resumo

A crescente participação da geração distribuída com o uso de tecnologias de informação no sistema elétrico de potência tem causado mudanças na forma como a energia é gerada e consumida. Neste contexto, as microrredes e nanorredes surgem com uma solução capaz de proporcionar uma maior integração da geração distribuída à rede elétrica. Como os sistemas de distribuição atuais são predominantemente em corrente alternada (c.a.), as microrredes c.a. são amplamente pesquisadas e sua implementação acarreta pequenas modificações nas redes atuais. Contundo, o aumentando significativo de cargas em corrente contínua (c.c.) nas redes c.a. aliado ao fato de que algumas fontes de energia renováveis possuem tensão c.c. ocasionam o desenvolvimento de sistemas de distribuição em c.c. Essa nova configuração necessita de grandes modificações no sistema de distribuição atual. Com isso, a microrrede híbrida c.a.-c.c. surge como solução que combina vantagens dos sistemas c.a e c.c. com poucas modificações nas redes atuais. Neste trabalho são apresentados os principais tipos de microrredes híbridas encontrados na literatura e as técnicas de controle usualmente empregadas para operação paralela dos conversores. A necessidade de regulação de tensão em ambos os barramentos da microrrede híbrida, o compartilhamento de carga e o controle do fluxo de potência levam à utilização de estrutura de controle hierárquico. Este trabalho foi realizado no laboratório do Grupo de Eletrônica de Potência da Universidade Federal de Minas Gerais (GEP/UFMG) e apresenta o estudo e o desenvolvimento de um protótipo de nanorrede híbrida com capacidade de operar tanto em modo conectado quanto ilhado da rede elétrica, além de realizar a transição entre esses modos. Serão discutidos temas acerca da estrutura hierárquica de controle da microrrede. Em especial, o trabalho trata da coordenação de conversores formadores de rede, definida pelo nível secundário, propondo duas técnicas inéditas de controle distribuído para mitigar o desvio de tensão causado pelo controle droop e promover a correção no compartilhamento proporcional de potência. Neste trabalho, a operação da nanorrede e as técnicas de controle propostas são validades através de simulações e experimentalmente.

Abstract

The increasing participation of distributed generation using information technologies in the electrical power system has caused changes in the way energy is generated and consumed. In this context, microgrids and nanogrids come up as a solution capable of providing greater integration of distributed generation to the electrical grid. As the current distribution systems are predominantly in Alternating Current (AC), the AC microgrids are widely researched and their implementation entails minor modifications in the current power grids. However, the significant increase in Direct Current (DC) loads in the AC power systems added to the fact that some renewable energy sources have DC voltage cause the development of DC distribution systems. This new configuration requires major changes to the current distribution system. Thus, the hybrid AC-DC microgrids emerges as a solution that combines the AC and DC advantages with few changes to the current electrical grids. This work presents the main types of hybrid microgrids found in the literature and the control techniques usually employed for parallel operation of the converters. The need for voltage regulation on both buses of the hybrid microgrid, load sharing and power flow control lead to the use of a hierarchical control structure. This work was carried out in the laboratory of the Grupo de Eletrônica de Potência at Universidade Federal de Minas Gerais (GEP/UFMG) and presents the study and development of a hybrid nanotechnology prototype capable of operating in both connected and isolated modes of the electrical grid, in addition to making the transition between these modes. Themes about the hierarchical control structure of the microgrid will be discussed. In particular, the work deals with the coordination of network-forming converters, defined by the secondary level, proposing two unprecedented distributed control techniques to mitigate the voltage deviation caused by the droop control and promote the correction in the proportional power sharing. In this work, the proposed nanogrid operation and control techniques are validated through simulations and experimentally.