2D PCA-Based localization for mobile robots in unstructured environments

In this paper a new PCA-based positioning sensor and localization system for mobile robots to operate in unstructured environments (e. g. industry, services, domestic ...) is proposed and experimentally validated. The inexpensive positioning system resorts to principal component analysis (PCA) of images acquired by a video camera installed onboard, looking upwards to the ceiling. This solution has the advantage of avoiding the need of selecting and extracting features. The principal components of the acquired images are compared with previously registered images, stored in a reduced onboard image database, and the position measured is fused with odometry data. The optimal estimates of position and slippage are provided by Kalman filters, with global stable error dynamics. The experimental validation reported in this work focuses on the results of a set of experiments carried out in a real environment, where the robot travels along a lawn-mower trajectory. A small position error estimate with bounded co-variance was always observed, for arbitrarily long experiments, and slippage was estimated accurately in real time.

Using assistive robots to promote inclusive education

Purpose: This paper describes the development and test of physical and virtual integrated augmentative manipulation and communication assistive technologies (IAMCATs) that enable children with motor and speech impairments to manipulate educational items by controlling a robot with a gripper, while communicating through a speech generating device. Method: Nine children with disabilities, nine regular and nine special education teachers participated in the study. Teachers adapted academic activities so they could also be performed by the children with disabilities using the IAMCAT. An inductive content analysis of the teachers’ interviews before and after the intervention was performed. Results: Teachers considered the IAMCAT to be a useful resource that can be integrated into the regular class dynamics respecting their curricular planning. It had a positive impact on children with disabilities and on the educational community. However, teachers pointed out the difficulties in managing the class, even with another adult present, due to the extra time required by children with disabilities to complete the activities. Conclusions: The developed assistive technologies enable children with disabilities to participate in academic activities but full inclusion would require another adult in class and strategies to deal with the additional time required by children to complete the activities. IMPLICATIONS FOR REHABILITATION - Integrated augmentative manipulation and communication assistive technologies are useful resources to promote the participation of children with motor and speech impairments in classroom activities. - Virtual tools, running on a computer screen, may be easier to use but further research is needed in order to evaluate its effectiveness when compared to physical tools. - Full participation of children with motor and speech impairments in academic activities using these technologies requires another adult in class and adequate strategies to manage the extra time the child with disabilities may require to complete the activities.

Plataforma de controlo e simulação robótica

A robótica tem evoluído no sentido de criar robots e componentes cada vez mais evoluídos a preços acessíveis. Este facto permitiu que o desenvolvimento de aplicações no âmbito da robótica se tenha massificado e que a utilidade dos robots se tenha alargado a diferentes áreas de aplicação. Apesar da evolução dos robots e dos componentes para os mesmos, subsistem limitações que restringem a utilização de robots a certas aplicações, nomeadamente quando a capacidade de processamento e de memória não é suficiente para executar as aplicações. A forma para ultrapassar estas limitações tem residido essencialmente em duas abordagens: limitar as aplicações desenvolvidas à medida dos recursos disponíveis no hardware; ou estender as capacidades do robot usando recursos externos ao robot, quer por extensão do hardware do robot, quer por controlo remoto dos componentes do robot. Atendendo a esta problemática, foi desenvolvida uma plataforma que estende as capacidades dos robots segundo uma abordagem que usa o controlo remoto do robot, para capacitar as aplicações de controlo desenvolvidas de mais recursos, nomeadamente em termos de capacidade de processamento e memória. A plataforma desenvolvida disponibiliza ainda um simulador que virtualiza um campo de simulação e um robot, e simula a forma como estes interagem. O simulador é integrado na plataforma de forma semelhante aos adaptadores para robots, para que as aplicações desenvolvidas possam ser usadas quer em robots reais como no simulador.

Programa de manutenção de aeronaves das companhias de aviação de baixo custo

Este trabalho aborda o Programa de Manutenção de Aeronaves das companhias de aviação de baixo custo, tendo como foco a análise e identificação dos requisitos legais e das metodologias de desenvolvimento de um Programa de Manutenção de uma aeronave e a comparação dos custos de manutenção de companhias de baixo custo com as companhias regulares. A aplicação eficaz de um programa de manutenção, para além de reduzir os seus custos, tem um impacto positivo na segurança, economia da manutenção e na fiabilidade de despacho. A metodologia utilizada foi a análise de informação de publicações e artigos. Com base na revisão de literaturas especializadas, fez-se uma selecção dos diversos aspectos necessários para se obter um Programa de Manutenção, o que permitiu construir o caso de estudo e efectuar a análise dos custos inerentes de manutenção de um operador aéreo de baixo custo e de um operador aéreo regular. Os resultados da análise permitiram chegar a veracidade da hipótese de que do ponto de vista de manutenção é igualmente seguro ou não seguro voar numa companhia de baixo custo e numa companhia regular, assim independentemente do tipo de companhia, ambas devem cumprir os requisitos para aprovação do PMA imposto pela autoridade aeronáutica, para garantir a aeronavegabilidade das aeronaves, ou seja, a sua segurança para a condição de voo, sem pôr em causa o carimbo baixo custo ou regular da companhia.

Robótica móvel: sistema de condução autónoma

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo Automação e Electrónica Industrial

Road lane detection for autonomous robot guidance

Computational Vision stands as the most comprehensive way of knowing the surrounding environment. Accordingly to that, this study aims to present a method to obtain from a common webcam, environment information to guide a mobile differential robot through a path similar to a roadway.

Planeamento de rota em ambiente desconhecido

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Road lane detection for autonomous robot guidance

Computational Vision stands as the most comprehensive way of knowing the surrounding environment. Accordingly to that, this study aims to present a method to obtain from a common webcam, environment information to guide a mobile differential robot through a path similar to a roadway.

Global localization with non-quantized local image features

In the field of appearance-based robot localization, the mainstream approach uses a quantized representation of local image features. An alternative strategy is the exploitation of raw feature descriptors, thus avoiding approximations due to quantization. In this work, the quantized and non-quantized representations are compared with respect to their discriminativity, in the context of the robot global localization problem. Having demonstrated the advantages of the non-quantized representation, the paper proposes mechanisms to reduce the computational burden this approach would carry, when applied in its simplest form. This reduction is achieved through a hierarchical strategy which gradually discards candidate locations and by exploring two simplifying assumptions about the training data. The potential of the non-quantized representation is exploited by resorting to the entropy-discriminativity relation. The idea behind this approach is that the non-quantized representation facilitates the assessment of the distinctiveness of features, through the entropy measure. Building on this finding, the robustness of the localization system is enhanced by modulating the importance of features according to the entropy measure. Experimental results support the effectiveness of this approach, as well as the validity of the proposed computation reduction methods.

Enhanced PCA-based localization using depth maps with missing data

In this paper a new method for self-localization of mobile robots, based on a PCA positioning sensor to operate in unstructured environments, is proposed and experimentally validated. The proposed PCA extension is able to perform the eigenvectors computation from a set of signals corrupted by missing data. The sensor package considered in this work contains a 2D depth sensor pointed upwards to the ceiling, providing depth images with missing data. The positioning sensor obtained is then integrated in a Linear Parameter Varying mobile robot model to obtain a self-localization system, based on linear Kalman filters, with globally stable position error estimates. A study consisting in adding synthetic random corrupted data to the captured depth images revealed that this extended PCA technique is able to reconstruct the signals, with improved accuracy. The self-localization system obtained is assessed in unstructured environments and the methodologies are validated even in the case of varying illumination conditions.

Lisboa, cidade cenográfica: memorando do projecto

Lisboa, cidade cenográfica é uma instalação que resulta dum processo de sucessivos registos de momentos, experiências e vivências da cidade de Lisboa, com diferentes narrativas. Através do método de assemblage de elementos retirados à rua e reconstruindo composições de blocos volumétricas que incluem desde imagens gráficas, à presença de fontes de luz e de som, e texturas várias, produzi uma instalação destinada a ser ocupada, como se do próprio processo de deambulação por uma cidade se tratasse – neste caso Lisboa. A instalação final, – Lisboa, cidade cenográfica -, constitui em si uma maqueta, como ponto de partida para um outro processo, quase interminável, que conduzisse a uma outra instalação que nos engolisse e se apoderasse da nossa presença. Manipulando diferentes escalas, composições e morfologias de espaço obter-se-ia uma instalação quase infindável, como a própria cidade. A actual instalação é como a síntese dum Fóssil Urbano. Na observação e captação de imagens da cidade houve a preocupação de efectuar a diferentes horas do dia. Os sons utilizados na instalação, foram gravados nas ruas de Lisboa e incluem desde sinos de igreja, ao chilrear de pássaros, aos aviões que sobrevoam, ao trânsito e respectivas buzinas e sirenes de ambulâncias, entre outros. No âmbito do desenvolvimento do projecto e desta Memória Descritiva, tive a preocupação de pedir a algumas pessoas – Cartas de Lisboa -, testemunhando o modo como habitam ou habitaram a cidade. Nos headphones presentes na instalação, ouve-se o poema Lisbon Revisited (1923), de Álvaro de Campos, completando assim o som ambiente de Lisboa, cidade cenográfica. Aquele poema só audível daquele modo, acaba por se sobrepor assim, dum modo subtil, aos outros sons ambiente (exteriores aos headphones).

Complementary filter design with three frequency bands: robot attitude estimation

This paper extents the by now classic sensor fusion complementary filter (CF) design, involving two sensors, to the case where three sensors that provide measurements in different bands are available. This paper shows that the use of classical CF techniques to tackle a generic three sensors fusion problem, based solely on their frequency domain characteristics, leads to a minimal realization, stable, sub-optimal solution, denoted as Complementary Filters3 (CF3). Then, a new approach for the estimation problem at hand is used, based on optimal linear Kalman filtering techniques. Moreover, the solution is shown to preserve the complementary property, i.e. the sum of the three transfer functions of the respective sensors add up to one, both in continuous and discrete time domains. This new class of filters are denoted as Complementary Kalman Filters3 (CKF3). The attitude estimation of a mobile robot is addressed, based on data from a rate gyroscope, a digital compass, and odometry. The experimental results obtained are reported.