Modelagem e Identificação de Sistemas Dinâmicos com Redes Recorrentes Profundas aplicados em Pedais de Distorção e Robôs Móveis

dc.contributor.advisor1Cardoso, Alisson Assis
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8216536516894987
dc.contributor.referee1Cardoso, Alisson Assis
dc.contributor.referee2Sousa, Marcos Antonio de
dc.contributor.referee3Cruz Júnior, Gélson da
dc.creatorCorreia, Murilo Guimarães
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5747017955619583
dc.date.accessioned2025-05-12T11:25:37Z
dc.date.available2025-05-12T11:25:37Z
dc.date.issued2025-02-21
dc.description.abstractThis work addresses the Identification and Modeling of Dynamic Systems Using Deep Neural Networks, applying Multilayer Perceptron (MLP), Recurrent Neural Networks (LSTM and GRU), and the extended xLSTM (Extended Long Short-Term Memory) architecture in two distinct projects: the modeling of electric guitar signal distortion and the dynamic behavior of the TurtleBot 3 mobile robot. In the first project, MLP and LSTM were used to model the distortion applied to a guitar audio signal, simulating the effect of different resistances. The results were analyzed using the Cumulative Distribution Function (CDF), the Kolmogorov-Smirnov (KS) test, and the Mean Squared Error (MSE). LSTM demonstrated a strong ability to capture temporal dependencies in the audio signal, while MLP effectively modeled the relationship between inputs and outputs. The results showed low MSE values and a good match in the KS test, demonstrating that both architectures are effective in modeling audio distortions. In the second project, the modeling of the dynamic behavior of the TurtleBot 3 was carried out using four models: MLP, GRU, LSTM, and xLSTM. The goal was to predict its trajectories and velocities based on simulated data. The evaluation metrics included the Mean Squared Error (MSE), Root Mean Squared Error (RMSE), Mean Absolute Error (MAE), Median Absolute Error (MdAE), and the coefficient of determination R2 . Among the evaluated models, xLSTM achieved the best results across almost all metrics, standing out as the most accurate architecture for modeling the robot’s dynamic system. However, MLP also demonstrated excellent performance, surpassing the GRU and LSTM models despite being a simpler approach. This finding reinforces the efficiency of MLP in capturing nonlinear relationships between inputs and outputs, making it a competitive alternative for dynamic system modeling. In conclusion, the results obtained in both projects highlight the capability of deep neural networks, including MLP, LSTM, GRU, and xLSTM, in modeling complex dynamic systems. The metric analysis confirms the robustness of the proposed methodology, making it a promising approach for Digital Twin applications, with potential for real-time monitoring and control.eng
dc.description.resumoEste trabalho trata da Identificação e Modelagem de Sistemas Dinâmicos com o Uso de Redes Neurais Profundas, aplicando Redes Neurais Multicamadas (MLP), Redes Neurais Recorrentes (LSTM e GRU) e a arquitetura estendida xLSTM (Extended Long ShortTerm Memory) em dois projetos distintos: a modelagem de distorção de sinal de guitarra elétrica e o comportamento dinâmico do robô móvel TurtleBot 3. No primeiro projeto, MLP e LSTM foram utilizadas para modelar a distorção aplicada ao sinal de áudio de uma guitarra, simulando o efeito de diferentes resistências. A análise dos resultados foi realizada por meio da Função de Distribuição Acumulada (FDA), do teste KolmogorovSmirnov (KS) e do Erro Quadrático Médio (EQM). A LSTM demonstrou boa capacidade de capturar as dependências temporais do sinal de áudio, enquanto a MLP conseguiu modelar com precisão a relação entre as entradas e saídas. Os resultados mostraram baixos valores de EQM e uma boa correspondência no teste KS, demonstrando que ambas as arquiteturas são eficazes para modelar distorções de áudio. No segundo projeto, a modelagem do comportamento dinâmico do TurtleBot 3 foi realizada utilizando quatro modelos: MLP, GRU, LSTM e xLSTM. O objetivo foi prever suas trajetórias e velocidades com base em dados simulados. As métricas de avaliação incluíram o Erro Quadrático Médio (EQM), a Raiz do Erro Quadrático Médio (REQM), o Erro Absoluto Médio (EAM), o Erro Absoluto Mediano (MdAE) e o coeficiente de determinação R2 . Entre os modelos avaliados, a xLSTM obteve os melhores resultados em praticamente todas as métricas, destacando-se como a arquitetura mais precisa na modelagem do sistema dinâmico do robô. No entanto, a MLP também demonstrou um desempenho excelente, superando os modelos GRU e LSTM, mesmo sendo um modelo mais simples. Essa observação reforça a eficiência da MLP em capturar relações não lineares entre entradas e saídas, sendo uma alternativa competitiva para modelagem de sistemas dinâmicos. Em conclusão, os resultados obtidos em ambos os projetos evidenciam a capacidade das redes neurais profundas, incluindo MLP, LSTM, GRU e xLSTM, em modelar sistemas dinâmicos complexos. A análise das métricas confirma a robustez da metodologia utilizada, tornando-a promissora para aplicações em Gêmeos Digitais, com potencial de monitoramento e controle em tempo real.
dc.identifier.citationCORREIA, M. G. Modelagem e Identificação de Sistemas Dinâmicos com Redes Recorrentes Profundas aplicados em Pedais de Distorção e Robôs Móveis. 2025. 79 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2025.
dc.identifier.urihttp://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/14277
dc.languagePortuguêspor
dc.publisherUniversidade Federal de Goiáspor
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentEscola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação - EMC (RMG)
dc.publisher.initialsUFGpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e da Computação (EMC)
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectRedes Neurais Profundaspor
dc.subjectModelagem de Sistemas Dinâmicospor
dc.subjectAprendizagem Profundapor
dc.subjectDeep Neural Networkseng
dc.subjectModeling of Dynamic Systemseng
dc.subjectDeep Learningeng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::TEORIA DA COMPUTACAO
dc.titleModelagem e Identificação de Sistemas Dinâmicos com Redes Recorrentes Profundas aplicados em Pedais de Distorção e Robôs Móveis
dc.title.alternativeModeling and Identification of Dynamic Systems with Deep Recurrent Networks applied to Distortion Pedals and Mobile Robotseng
dc.typeDissertação

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