Architecture for real-time coordination of multiple autonomous mobile units

Interest on using teams of mobile robots has been growing, due to their potential to cooperate for diverse purposes, such as rescue, de-mining, surveillance or even games such as robotic soccer. These applications require a real-time middleware and wireless communication protocol that can support an efficient and timely fusion of the perception data from different robots as well as the development of coordinated behaviours. Coordinating several autonomous robots towards achieving a common goal is currently a topic of high interest, which can be found in many application domains. Despite these different application domains, the technical problem of building an infrastructure to support the integration of the distributed perception and subsequent coordinated action is similar. This problem becomes tougher with stronger system dynamics, e.g., when the robots move faster or interact with fast objects, leading to tighter real-time constraints. This thesis work addressed computing architectures and wireless communication protocols to support efficient information sharing and coordination strategies taking into account the real-time nature of robot activities. The thesis makes two main claims. Firstly, we claim that despite the use of a wireless communication protocol that includes arbitration mechanisms, the self-organization of the team communications in a dynamic round that also accounts for variable team membership, effectively reduces collisions within the team, independently of its current composition, significantly improving the quality of the communications. We will validate this claim in terms of packet losses and communication latency. We show how such self-organization of the communications can be achieved in an efficient way with the Reconfigurable and Adaptive TDMA protocol. Secondly, we claim that the development of distributed perception, cooperation and coordinated action for teams of mobile robots can be simplified by using a shared memory middleware that replicates in each cooperating robot all necessary remote data, the Real-Time Database (RTDB) middleware. These remote data copies, which are updated in the background by the selforganizing communications protocol, are extended with age information automatically computed by the middleware and are locally accessible through fast primitives. We validate our claim showing a parsimonious use of the communication medium, improved timing information with respect to the shared data and the simplicity of use and effectiveness of the proposed middleware shown in several use cases, reinforced with a reasonable impact in the Middle Size League of RoboCup.

A educação em ciências no ensino básico em ambientes integrados de formação

A educação integral ao longo da vida de todos os indivíduos, em contextos formais, não formais e informais, com vista ao desenvolvimento inteligente, sustentável e inclusivo das nações é, actualmente, uma recomendação unânime de entidades e organizações a nível internacional (ex. UNESCO, UNICEF, NU, OCDE, OEI, UE). Neste âmbito, destaca-se o papel fulcral da literacia científica dos indivíduos, como motor do crescimento, produtividade e competitividade dos países e como um dos pilares basilares para o exercício de uma cidadania consciente na vida política, social e cultural. Para alcançar tais propósitos é necessário uma forte aposta numa educação de qualidade desde os primeiros anos de vida dos indivíduos. Para tal, é fundamental: (re)pensar perspectivas de educação, de ensino e de aprendizagem; dar reposta às amplamente reconhecidas necessidades de formação inicial e continuada de professores; e assegurar a existência de infraestruturas e recursos de suporte à concretização de tais anseios. O presente estudo pretende ser um contributo para a operacionalização de tais intenções, no campo particular da educação em ciências ao nível do ensino básico, tendo subjacente uma perspectiva de abordagem integrada e integradora da educação em ciências. O percurso de investigação, de natureza qualitativa, foi desenvolvido incidindo em dois focos fundamentais: (i) o desenvolvimento de infra-estruturas e recursos de suporte à educação em ciências e (ii) o desenvolvimento de um programa de formação continuada para professores do 1º CEB de educação em ciências na perspectiva considerada. Assim uma das grandes finalidades do estudo foi desenvolver (conceber, planificar, implementar e validar) um Centro Integrado de Educação em Ciências (CIEC) como parte integrante de uma escola do 1ºCEB. Partindo de orientações da literatura, da proficiência da equipa multidisciplinar e dos contributos de avaliadores externos procedeu-se ao desenvolvimento do conceito CIEC e respectivo espaço físico de suporte: espaço de educação formal - laboratório de ciências para o 1ºCEB; espaço de educação não formal – Centro de Ciência do CIEC.A segunda grande finalidade do estudo, foi o desenvolvimento (concepção, planificação, implementação e avaliação) de um programa de formação continuada que habilitasse os professores do 1ºCEB a desenvolverem actividades integradas de educação em ciências (AIEC). Tendo por base as orientações da literatura, bem como a caracterização das práticas, necessidades e expectativas dos professores-formandos, concebeu-se, planificou-se e implementou-se o programa de formação. A avaliação do programa efectuou-se tendo por base a análise dos dados recolhidos através de fontes distintas, e o seu cruzamento com recurso a métodos, técnicas e instrumentos diversificados. Assumindo-se como um contributo para a melhoria da educação em ciências nos primeiros anos de escolaridade, o presente estudo apresenta como resultados orientações para: o desenvolvimento de laboratórios em escolas do 1ºCEB; o desenvolvimento de centros de ciência, e ou espaços de educação não formal similares, e respectivo funcionamento; a implementação de actividades integradas da educação em ciências; o desenvolvimento de programas de formação continuada de professores; o processo de auto e hetero avaliação de práticas de professores no que respeita ao ensino das ciências em contextos formal e não formal.

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.