Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Os sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.

Voz e emoção em português europeu

No trabalho apresentado realiza-se uma primeira descrição de voz e emoção para o Português Europeu. Estudamos, utilizando como base estudos realizados em diversas línguas (finlandês; inglês; alemão), os parâmetros relacionados com voz e que variam consoante a emoção que expressamos. Analisamos assim os parâmetros relacionados com a frequência Fundamental (F0) com a perturbação (jitter) com a amplitude (shimmer) e com aspectos relacionados com o ruído (HNR). Trata-se de um estudo abrangente que estudando voz e a sua relação/variação de acordo com a emoção o faz em três vertentes: patologia de voz de origem psicogénica (carácter emocional); emoção produzida por actores e a análise de emoção espontânea. Conseguindo, como trabalho pioneiro nesta área, valores para todos estes tipos de produção. Salientamos o facto de no nosso trabalho apenas existir a análise de voz sem recurso a expressão facial ou à postura dos indivíduos. Para que pudéssemos realizar estudos comparativos com os dados que íamos recolhendo em cada corpus (patologia; emoção por actor e emoção espontânea), procurámos utilizar sempre os mesmos métodos de análise (Praat; SFS; SPSS, Hoarseness Diagram – para a análise de voz com patologia - e o sistema Feeltrace - para as emoções espontâneas). Os estudos e análises relativos à emoção produzida por actores são complementados por testes de percepção aplicados a falantes nativos de Inglês Americano e a falantes de Português Europeu. Este teste, juntamente com a análise da emoção espontânea, permitiu-nos retirar dados particulares relativos à língua portuguesa. Apesar de haver tanto na expressão como na percepção de emoções muitas características consideradas universais, em Português percebe-se algo de peculiar. Os valores para a expressão neutra; tristeza e alegria são todos muito próximos, ao contrário do que acontece noutras línguas. Além disso estas três emoções (de famílias distintas) são as que mais dificuldades causam (aos dois grupos de informantes) em termos de distinção no teste de percepção. Poderá ser esta a particularidade da expressão da emoção no Português Europeu, podendo estar ligada a factores culturais. Percebe-se ainda, com este trabalho, que a emoção expressa pelo actor se aproxima da emoção espontânea. No entanto, alguns parâmetros apresentam valores diferentes, isto porque o actor tem a tendência de exagerar a emoção. Com este trabalho foram criados corpora originais que serão um recurso importante a disponibilizar para futuras análises numa área que é ainda deficitária, em termos de investigação científica, em Portugal. Tanto os corpora, como respectivos resultados obtidos poderão vir a ser úteis em áreas como as Ciências da Fala; Robótica e Docência.

Automatic information and safety systems for driving assistance

O objeto principal desta tese é o estudo de algoritmos de processamento e representação automáticos de dados, em particular de informação obtida por sensores montados a bordo de veículos (2D e 3D), com aplicação em contexto de sistemas de apoio à condução. O trabalho foca alguns dos problemas que, quer os sistemas de condução automática (AD), quer os sistemas avançados de apoio à condução (ADAS), enfrentam hoje em dia. O documento é composto por duas partes. A primeira descreve o projeto, construção e desenvolvimento de três protótipos robóticos, incluindo pormenores associados aos sensores montados a bordo dos robôs, algoritmos e arquitecturas de software. Estes robôs foram utilizados como plataformas de ensaios para testar e validar as técnicas propostas. Para além disso, participaram em várias competições de condução autónoma tendo obtido muito bons resultados. A segunda parte deste documento apresenta vários algoritmos empregues na geração de representações intermédias de dados sensoriais. Estes podem ser utilizados para melhorar técnicas já existentes de reconhecimento de padrões, deteção ou navegação, e por este meio contribuir para futuras aplicações no âmbito dos AD ou ADAS. Dado que os veículos autónomos contêm uma grande quantidade de sensores de diferentes naturezas, representações intermédias são particularmente adequadas, pois podem lidar com problemas relacionados com as diversas naturezas dos dados (2D, 3D, fotométrica, etc.), com o carácter assíncrono dos dados (multiplos sensores a enviar dados a diferentes frequências), ou com o alinhamento dos dados (problemas de calibração, diferentes sensores a disponibilizar diferentes medições para um mesmo objeto). Neste âmbito, são propostas novas técnicas para a computação de uma representação multi-câmara multi-modal de transformação de perspectiva inversa, para a execução de correcção de côr entre imagens de forma a obter mosaicos de qualidade, ou para a geração de uma representação de cena baseada em primitivas poligonais, capaz de lidar com grandes quantidades de dados 3D e 2D, tendo inclusivamente a capacidade de refinar a representação à medida que novos dados sensoriais são recebidos.

Comunicação humano-robô através de linguagem falada

Nos últimos anos, as tecnologias que dão suporte à robótica avançaram expressivamente. É possível encontrar robôs de serviço nos mais variados campos. O próximo passo é o desenvolvimento de robôs inteligentes, com capacidade de comunicação em linguagem falada e de realizar trabalhos úteis em interação/cooperação com humanos. Torna-se necessário, então, encontrar um modo de interagir eficientemente com esses robôs, e com agentes inteligentes de maneira geral, que permita a transmissão de conhecimento em ambos os sentidos. Partiremos da hipótese de que é possível desenvolver um sistema de diálogo baseado em linguagem natural falada que resolva esse problema. Assim, o objetivo principal deste trabalho é a definição, implementação e avaliação de um sistema de diálogo utilizável na interação baseada em linguagem natural falada entre humanos e agentes inteligentes. Ao longo deste texto, mostraremos os principais aspectos da comunicação por linguagem falada, tanto entre os humanos, como também entre humanos e máquinas. Apresentaremos as principais categorias de sistemas de diálogo, com exemplos de alguns sistemas implementados, assim como ferramentas para desenvolvimento e algumas técnicas de avaliação. A seguir, entre outros aspectos, desenvolveremos os seguintes: a evolução levada a efeito na arquitetura computacional do Carl, robô utilizado neste trabalho; o módulo de aquisição e gestão de conhecimento, desenvolvido para dar suporte à interação; e o novo gestor de diálogo, baseado na abordagem de “Estado da Informação”, também concebido e implementado no âmbito desta tese. Por fim, uma avaliação experimental envolvendo a realização de diversas tarefas de interação com vários participantes voluntários demonstrou ser possível interagir com o robô e realizar as tarefas solicitadas. Este trabalho experimental incluiu avaliação parcial de funcionalidades, avaliação global do sistema de diálogo e avaliação de usabilidade.

Grounding human vocabulary in robot perception through interaction

This thesis addresses the problem of word learning in computational agents. The motivation behind this work lies in the need to support language-based communication between service robots and their human users, as well as grounded reasoning using symbols relevant for the assigned tasks. The research focuses on the problem of grounding human vocabulary in robotic agent’s sensori-motor perception. Words have to be grounded in bodily experiences, which emphasizes the role of appropriate embodiments. On the other hand, language is a cultural product created and acquired through social interactions. This emphasizes the role of society as a source of linguistic input. Taking these aspects into account, an experimental scenario is set up where a human instructor teaches a robotic agent the names of the objects present in a visually shared environment. The agent grounds the names of these objects in visual perception. Word learning is an open-ended problem. Therefore, the learning architecture of the agent will have to be able to acquire words and categories in an openended manner. In this work, four learning architectures were designed that can be used by robotic agents for long-term and open-ended word and category acquisition. The learning methods used in these architectures are designed for incrementally scaling-up to larger sets of words and categories. A novel experimental evaluation methodology, that takes into account the openended nature of word learning, is proposed and applied. This methodology is based on the realization that a robot’s vocabulary will be limited by its discriminatory capacity which, in turn, depends on its sensors and perceptual capabilities. An extensive set of systematic experiments, in multiple experimental settings, was carried out to thoroughly evaluate the described learning approaches. The results indicate that all approaches were able to incrementally acquire new words and categories. Although some of the approaches could not scale-up to larger vocabularies, one approach was shown to learn up to 293 categories, with potential for learning many more.

Perception and software architecture for mobile robotics

When developing software for autonomous mobile robots, one has to inevitably tackle some kind of perception. Moreover, when dealing with agents that possess some level of reasoning for executing their actions, there is the need to model the environment and the robot internal state in a way that it represents the scenario in which the robot operates. Inserted in the ATRI group, part of the IEETA research unit at Aveiro University, this work uses two of the projects of the group as test bed, particularly in the scenario of robotic soccer with real robots. With the main objective of developing algorithms for sensor and information fusion that could be used e ectively on these teams, several state of the art approaches were studied, implemented and adapted to each of the robot types. Within the MSL RoboCup team CAMBADA, the main focus was the perception of ball and obstacles, with the creation of models capable of providing extended information so that the reasoning of the robot can be ever more e ective. To achieve it, several methodologies were analyzed, implemented, compared and improved. Concerning the ball, an analysis of ltering methodologies for stabilization of its position and estimation of its velocity was performed. Also, with the goal keeper in mind, work has been done to provide it with information of aerial balls. As for obstacles, a new de nition of the way they are perceived by the vision and the type of information provided was created, as well as a methodology for identifying which of the obstacles are team mates. Also, a tracking algorithm was developed, which ultimately assigned each of the obstacles a unique identi er. Associated with the improvement of the obstacles perception, a new algorithm of estimating reactive obstacle avoidance was created. In the context of the SPL RoboCup team Portuguese Team, besides the inevitable adaptation of many of the algorithms already developed for sensor and information fusion and considering that it was recently created, the objective was to create a sustainable software architecture that could be the base for future modular development. The software architecture created is based on a series of di erent processes and the means of communication among them. All processes were created or adapted for the new architecture and a base set of roles and behaviors was de ned during this work to achieve a base functional framework. In terms of perception, the main focus was to de ne a projection model and camera pose extraction that could provide information in metric coordinates. The second main objective was to adapt the CAMBADA localization algorithm to work on the NAO robots, considering all the limitations it presents when comparing to the MSL team, especially in terms of computational resources. A set of support tools were developed or improved in order to support the test and development in both teams. In general, the work developed during this thesis improved the performance of the teams during play and also the e ectiveness of the developers team when in development and test phases.

Techniques for batch reinforcement learning in robotics

This thesis addresses the Batch Reinforcement Learning methods in Robotics. This sub-class of Reinforcement Learning has shown promising results and has been the focus of recent research. Three contributions are proposed that aim to extend the state-of-art methods allowing for a faster and more stable learning process, such as required for learning in Robotics. The Q-learning update-rule is widely applied, since it allows to learn without the presence of a model of the environment. However, this update-rule is transition-based and does not take advantage of the underlying episodic structure of collected batch of interactions. The Q-Batch update-rule is proposed in this thesis, to process experiencies along the trajectories collected in the interaction phase. This allows a faster propagation of obtained rewards and penalties, resulting in faster and more robust learning. Non-parametric function approximations are explored, such as Gaussian Processes. This type of approximators allows to encode prior knowledge about the latent function, in the form of kernels, providing a higher level of exibility and accuracy. The application of Gaussian Processes in Batch Reinforcement Learning presented a higher performance in learning tasks than other function approximations used in the literature. Lastly, in order to extract more information from the experiences collected by the agent, model-learning techniques are incorporated to learn the system dynamics. In this way, it is possible to augment the set of collected experiences with experiences generated through planning using the learned models. Experiments were carried out mainly in simulation, with some tests carried out in a physical robotic platform. The obtained results show that the proposed approaches are able to outperform the classical Fitted Q Iteration.

Dynamic set pieces for CAMBADA team

Robotics is an emergent branch of engineering that involves the conception, manufacture, and control of robots. It is a multidisciplinary field that combines electronics, design, computer science, artificial intelligence, mechanics and nanotechnology. Its evolution results in machines that are able to perform tasks with some level of complexity. Multi-agent systems is a researching topic within robotics, thus they allow the solving of higher complexity problems, through the execution of simple routines. Robotic soccer allows the study and development of robotics and multiagent systems, as the agents have to work together as a team, having in consideration most problems found in our quotidian, as for example adaptation to a highly dynamic environment as it is the one of a soccer game. CAMBADA is the robotic soccer team belonging to the group of research IRIS from IEETA, composed by teachers, researchers and students of the University of Aveiro, which annually has as main objective the participation in the RoboCup, in the Middle Size League. The purpose of this work is to improve the coordination in set pieces situations. This thesis introduces a new behavior and the adaptation of the already existing ones in the offensive situation, as well as the proposal of a new positioning method in defensive situations. The developed work was incorporated within the competition software of the robots. Which allows the presentation, in this dissertation, of the experimental results obtained, through simulation software as well as through the physical robots on the laboratory.

Goal detection using laser range finder for goalkeeper and striker from CAMBADA team

For a robot be autonomous and mobile, it requires being attached with a set of sensors that helps it to have a better perception of the surrounding world, to manage to localize itself and the surrounding objects. CAMBADA is the robotic soccer team of the IRIS research group, from IEETA, University of Aveiro, that competes in the Middle-Size League of RoboCup. In competition, in order to win, the main objective of the game it's to score more goals than the conceded, so not conceding goals, and score as much as possible it's desirable, thus, this thesis focus on adapt an agent with a better localization capacity in defensive and offensive moments. It was introduced a laser range finder to the CAMBADA robots, making them capable of detecting their own and the opponent goal, and to detect the opponents in specific game situations. With the new information and adapting the Goalie and Penalty behaviors, the CAMBADA goalkeeper is now able to detect and track its own goal and the CAMBADA striker has a better performance in a penalty situation. The developed work was incorporated within the competition software of the robots, which allows the presentation, in this thesis, of the experimental results obtained with physical robots on the laboratory field.

Demonstrador para rede tempo-real HaRTES

A utilização de sistemas embutidos distribuídos em diversas áreas como a robótica, automação industrial e aviónica tem vindo a generalizar-se no decorrer dos últimos anos. Este tipo de sistemas são compostos por vários nós, geralmente designados por sistemas embutidos. Estes nós encontram-se interligados através de uma infra-estrutura de comunicação de forma a possibilitar a troca de informação entre eles de maneira a concretizar um objetivo comum. Por norma os sistemas embutidos distribuídos apresentam requisitos temporais bastante exigentes. A tecnologia Ethernet e os protocolos de comunicação, com propriedades de tempo real, desenvolvidos para esta não conseguem associar de uma forma eficaz os requisitos temporais das aplicações de tempo real aos requisitos Quality of Service (QoS) dos diferentes tipos de tráfego. O switch Hard Real-Time Ethernet Switching (HaRTES) foi desenvolvido e implementado com o objetivo de solucionar estes problemas devido às suas capacidades como a sincronização de fluxos diferentes e gestão de diferentes tipos de tráfego. Esta dissertação apresenta a adaptação de um sistemas físico de modo a possibilitar a demonstração do correto funcionamento do sistema de comunicação, que será desenvolvido e implementado, utilizando um switch HaRTES como o elemento responsável pela troca de informação na rede entre os nós. O desempenho da arquitetura de rede desenvolvida será também testada e avaliada.

Scaffolds porosos à base de fosfatos de cálcio para regeneração óssea

Graças ao aumento da esperança média de vida do ser humano, a engenharia de tecidos tem sido uma área alvo de enorme investigação. A utilização de estruturas tridimensionais porosas e biodegradáveis, denominadas de scaffolds, como matriz para a adesão e proliferação celular tem sido amplamente investigada. Existem atualmente diversas técnicas para a produção destas estruturas mas o grau de exigência tem vindo a aumentar, existindo ainda lacunas que necessitam ser preenchidas. A técnica de robocasting consiste numa deposição camada a camada de uma pasta coloidal, seguindo um modelo computorizado (CAD) e permite a produção de scaffolds com porosidade tamanho de poro e fração de porosidade controlados, boa reprodutibilidade, e com formas variadas, as quais podem ser idênticas às dos defeitos ósseos a preencher. O presente estudo teve como objetivo produzir scaffolds porosos à base de fosfatos de cálcio através de robocasting. Para tal, foram estudadas duas composições de pós à base de β-TCP, uma pura e outra co-dopada com estrôncio, zinco e manganês. Inicialmente os pós foram sintetizados pelo método de precipitação química por via húmida. Após a síntese, estes foram filtrados, secos, calcinados a 1000ºC e posteriormente moídos até possuírem um tamanho médio de partícula de cerca de 1,5 μm. Os pós foram depois peneirados com uma malha de 40μm e caracterizados. Posteriormente foram preparadas várias suspensões e avaliado o seu comportamento reológico, utilizando Targon 1128 como dispersante, Hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) como ligante e polietilenimina (PEI) como agente floculante. Por fim, e escolhida a melhor composição para a formação da pasta, foram produzidos scaffolds com diferentes porosidades, num equipamento de deposição robótica (3D Inks, LLC). Os scaffolds obtidos foram secos à temperatura ambiente durante 48 horas, sinterizados a 1100ºC e posteriormente caracterizados por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), avaliação dos tamanhos de poro, porosidade total e testes mecânicos. Ambas as composições estudadas puderam ser transformadas em pastas extrudíveis, mas a pasta da composição pura apresentou uma consistência mais próxima do ideal, tendo originado scaffolds de melhor qualidade em termos de microestrutura e de propriedades mecânicas.