Supervisão, comando e controlo para sistemas robóticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização em Sistemas Autónomos

Sistema de localização de um veículo autónomo terrestre

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.

Sistema de modelização tridimensional de galerias subterrâneas

A presente dissertação apresenta uma solução para o problema de modelização tridimensional de galerias subterrâneas. O trabalho desenvolvido emprega técnicas provenientes da área da robótica móvel para obtenção um sistema autónomo móvel de modelização, capaz de operar em ambientes não estruturados sem acesso a sistemas de posicionamento global, designadamente GPS. Um sistema de modelização móvel e autónomo pode ser bastante vantajoso, pois constitui um método rápido e simples de monitorização das estruturas e criação de representações virtuais das galerias com um elevado nível de detalhe. O sistema de modelização desloca-se no interior dos túneis para recolher informações sensoriais sobre a geometria da estrutura. A tarefa de organização destes dados com vista _a construção de um modelo coerente, exige um conhecimento exacto do percurso praticado pelo sistema, logo o problema de localização da plataforma sensorial tem que ser resolvido. A formulação de um sistema de localização autónoma tem que superar obstáculos que se manifestam vincadamente nos ambientes underground, tais como a monotonia estrutural e a já referida ausência de sistemas de posicionamento global. Neste contexto, foi abordado o conceito de SLAM (Simultaneous Loacalization and Mapping) para determinação da localização da plataforma sensorial em seis graus de liberdade. Seguindo a abordagem tradicional, o núcleo do algoritmo de SLAM consiste no filtro de Kalman estendido (EKF { Extended Kalman Filter ). O sistema proposto incorpora métodos avançados do estado da arte, designadamente a parametrização em profundidade inversa (Inverse Depth Parametrization) e o método de rejeição de outliers 1-Point RANSAC. A contribuição mais importante do método por nós proposto para o avanço do estado da arte foi a fusão da informação visual com a informação inercial. O algoritmo de localização foi testado com base em dados reais, adquiridos no interior de um túnel rodoviário. Os resultados obtidos permitem concluir que, ao fundir medidas inerciais com informações visuais, conseguimos evitar o fenómeno de degeneração do factor de escala, comum nas aplicações de localização através de sistemas puramente monoculares. Provámos simultaneamente que a correcção de um sistema de localização inercial através da consideração de informações visuais é eficaz, pois permite suprimir os desvios de trajectória que caracterizam os sistemas de dead reckoning. O algoritmo de modelização, com base na localização estimada, organiza no espaço tridimensional os dados geométricos adquiridos, resultando deste processo um modelo em nuvem de pontos, que posteriormente _e convertido numa malha triangular, atingindo-se assim uma representação mais realista do cenário original.

Simulação e controlo de veículos autónomos terrestres

A implementação e venda de robôs autónomos tem sido um sector que nos últimos anos tem adquirido cada vez mais quota no mercado, nomeadamente no sector militar, agrícola e da vigilância. Como tal, tem sido também de grande importância a capacidade de implementar e testar robôs por parte das entidades que os fabricam. Uma das formas que tem garantido o sucesso do desenvolvimento de robôs é a simulação prévia dos mesmos antes que estes passem a fase de produção. Sendo assim, o LSA como entidade de desenvolvimento de robôs autónomos, tem necessidade de adquirir um sistema que simule os robôs em desenvolvimento. O trabalho desta tese consiste na realização de um sistema que simule robôs autónomos terrestres de forma que se possa observar o comportamento da cinemática, dinânica e hardware dos robôs em ambiente 3D. Esta aplicação de simulação pode mais tarde ser utilizada pelo laboratório para testar missões, validar alterações de estrutura, sensores, etc. Para além disso, com recurso ao simulador Player/Stage/Gazebo testar o robô LINCE e implementar algoritmos de controlo para o mesmo. Os algoritmos de controlo implementados baseiam-se em primitivas de controlo básico para serem utilizadas pelo sistema de navegação e gerar trajectórias complexas. Os algoritmos desenvolvidos nesta tese baseiam-se nas equações cinemáticas do veículo estudado. Estes algoritmos depois de testados no simulador, poderão ser colocados no Hardware do robô. Desta forma consegue-se desenvolver algoritmos para determinado robô sem que este esteja operacional.

Sistema de Visão Stereo Ativo aplicado aos robôs do ISePorto

A presente dissertação endereça o desenvolvimento de um sistema de visão stereo ativo para os robôs de futebol robótico da equipa ISePorto do ISEP, de modo a que estes tirem o máximo partido das câmaras rotativas neles existentes. Este trabalho surge da necessidade de melhorar a capacidade de perceção do ambiente por parte dos robôs, principalmente da perceção da bola quando não está no plano do campo e dos robôs adversários. Esta necessidade surge devido ao aumento da dinâmica que se tem vindo a veri car ultimamente nas competições. Para tal, foram estudados algumas trabalhos relacionados no que diz respeito a sistemas de visão stereo com baselines variáveis e eixos de rotação em ambas as câmaras, bem como fundamentos de visão stereo. Foi proposta uma arquitetura para o sistema de visão ativo de modo a ser aplicado em qualquer robô da equipa MSL (Middle Size League). Para tornar possível a implementação desta arquitetura foi desenvolvido um procedimento para a calibração e determinação em tempo real dos parâmetros extrínsecos do par stereo em função da posição angular dos eixos rotativos do robô. O sistema de visão foi também dotado de capacidade de sincronismo e foram implementadas funcionalidades ao nível de software que possibilitam a deteção de objetos na imagem, a correspondência de objetos presentes nas imagens de ambas as câmaras e consequentemente a determinação das posições tridimensionais desses objetos relativamente ao robô. O sistema desenvolvido foi testado e validado em cenário MSL ao nível de perceção da bola, robôs adversários e linhas do campo. Os resultados obtidos apresentam uma melhoria signi cativa, face à implementação atual dos robôs, na perceção tridimensional da bola quando não está no plano do campo, e dos robôs adversários.

Geostatistical Prediction of Ocean Outfall Plume Characteristics Based on an Autonomous Underwater Vehicle

Geostatistics has been successfully used to analyze and characterize the spatial variability of environmental properties. Besides giving estimated values at unsampled locations, it provides a measure of the accuracy of the estimate, which is a significant advantage over traditional methods used to assess pollution. In this work universal block kriging is novelty used to model and map the spatial distribution of salinity measurements gathered by an Autonomous Underwater Vehicle in a sea outfall monitoring campaign, with the aim of distinguishing the effluent plume from the receiving waters, characterizing its spatial variability in the vicinity of the discharge and estimating dilution. The results demonstrate that geostatistical methodology can provide good estimates of the dispersion of effluents that are very valuable in assessing the environmental impact and managing sea outfalls. Moreover, since accurate measurements of the plume’s dilution are rare, these studies might be very helpful in the future to validate dispersion models.

A fuzzified systematic adjustment of the robotic Darwinian PSO

The Darwinian Particle Swarm Optimization (DPSO) is an evolutionary algorithm that extends the Particle Swarm Optimization using natural selection to enhance the ability to escape from sub-optimal solutions. An extension of the DPSO to multi-robot applications has been recently proposed and denoted as Robotic Darwinian PSO (RDPSO), benefiting from the dynamical partitioning of the whole population of robots, hence decreasing the amount of required information exchange among robots. This paper further extends the previously proposed algorithm adapting the behavior of robots based on a set of context-based evaluation metrics. Those metrics are then used as inputs of a fuzzy system so as to systematically adjust the RDPSO parameters (i.e., outputs of the fuzzy system), thus improving its convergence rate, susceptibility to obstacles and communication constraints. The adapted RDPSO is evaluated in groups of physical robots, being further explored using larger populations of simulated mobile robots within a larger scenario.

Sistema visual para Ground Truth de sistemas autónomos

Este trabalho visa contribuir para o desenvolvimento de um sistema de visão multi-câmara para determinação da localização, atitude e seguimento de múltiplos objectos, para ser utilizado na unidade de robótica do INESCTEC, e resulta da necessidade de ter informação externa exacta que sirva de referência no estudo, caracterização e desenvolvimento de algoritmos de localização, navegação e controlo de vários sistemas autónomos. Com base na caracterização dos veículos autónomos existentes na unidade de robótica do INESCTEC e na análise dos seus cenários de operação, foi efectuado o levantamento de requisitos para o sistema a desenvolver. Foram estudados os fundamentos teóricos, necessários ao desenvolvimento do sistema, em temas relacionados com visão computacional, métodos de estimação e associação de dados para problemas de seguimento de múltiplos objectos . Foi proposta uma arquitectura para o sistema global que endereça os vários requisitos identi cados, permitindo a utilização de múltiplas câmaras e suportando o seguimento de múltiplos objectos, com ou sem marcadores. Foram implementados e validados componentes da arquitectura proposta e integrados num sistema para validação, focando na localização e seguimento de múltiplos objectos com marcadores luminosos à base de Light-Emitting Diodes (LEDs). Nomeadamente, os módulos para a identi cação dos pontos de interesse na imagem, técnicas para agrupar os vários pontos de interesse de cada objecto e efectuar a correspondência das medidas obtidas pelas várias câmaras, método para a determinação da posição e atitude dos objectos, ltro para seguimento de múltiplos objectos. Foram realizados testes para validação e a nação do sistema implementado que demonstram que a solução encontrada vai de encontro aos requisitos, e foram identi cadas as linhas de trabalho para a continuação do desenvolvimento do sistema global.

Autonomous bathymetry for risk assessment with ROAZ robotic surface vehicle

The use of unmanned marine robotic vehicles in bathymetric surveys is discussed. This paper presents recent results in autonomous bathymetric missions with the ROAZ autonomous surface vehicle. In particular, robotic surface vehicles such as ROAZ provide an efficient tool in risk assessment for shallow water environments and water land interface zones as the near surf zone in marine coast. ROAZ is an ocean capable catamaran for distinct oceanographic missions, and with the goal to fill the gap were other hydrographic surveys vehicles/systems are not compiled to operate, like very shallow water rivers and marine coastline surf zones. Therefore, the use of robotic systems for risk assessment is validated through several missions performed either in river scenario (in a very shallow water conditions) and in marine coastlines.

Swordfish: an Autonomous Surface Vehicle for Network Centric Operations

The design and development of the swordfish autonomous surface vehicle (ASV) system is discussed. Swordfish is an ocean capable 4.5 m long catamaran designed for network centric operations (with ocean and air going vehicles and human operators). In the basic configuration, Swordfish is both a survey vehicle and a communications node with gateways for broadband, Wi-Fi and GSM transports and underwater acoustic modems. In another configuration, Swordfish mounts a docking station for the autonomous underwater vehicle Isurus from Porto University. Swordfish has an advanced control architecture for multi-vehicle operations with mixed initiative interactions (human operators are allowed to interact with the control loops).

Marine Operations with the SWORDFISH Autonomous Surface Vehicle

IEEE Robótica 2007 - 7th Conference on Mobile Robots and Competitions, Paderne, Portugal 2007

Standard commercial education robotic platform: intermediate solution to teaching robotics

Teaching robotics to students at the beginning of their studies has become a huge challenge. Simulation environments can be an effective solution to that challenge where students can interact with simulated robots and have the first contact with robotic constraints. From our previous experience with simulation environments it was possible to observe that students with lower background knowledge in robotics where able to deal with a limited number of constraints, implement a simulated robotic platform and study several sensors. The question is: after this first phase what should be the best approach? Should the student start developing their own hardware? Hardware development is a very important part of an engineer's education but it can also be a difficult phase that could lead to discouragement and loss of motivation in some students. Considering the previous constraints and first year engineering students’ high abandonment rate it is important to develop teaching strategies to deal with this problem in a feasible way. The solution that we propose is the integration of a low-cost standard robotic platform WowWee Rovio as an intermediate solution between the simulation phase and the stage where the students can develop their own robots. This approach will allow the students to keep working in robotic areas such as: cooperative behaviour, perception, navigation and data fusion. The propose approach proved to be a motivation step not only for the students but also for the teachers. Students and teachers were able to reach an agreement between the level of demand imposed by the teachers and satisfaction/motivation of the students.

A learning environment for robotic production line simulation

This paper presents a framework for a robotic production line simulation learning environment using Autonomous Ground Vehicles (AGV). An eLearning platform is used as interface with the simulator. The objective is to introduce students to the production robotics area using a familiar tool, an eLearning platform, and a framework that simulates a production line using AGVs. This framework allows students to learn about robotics but also about several areas of industrial management engineering without requiring an extensive prior knowledge on the robotics area. The robotic production line simulation learning environment simulates a production environment using AGVs to transport materials to and from the production line. The simulator allows students to validate the AGV dynamics and provides information about the whole materials supplying system which includes: supply times, route optimization and inventory management. The students are required to address several topics such as: sensors, actuators, controllers and an high level management and optimization software. This simulator was developed with a known open source tool from robotics community: Player/Stage. This tool was extended with several add-ons so that students can be able to interact with a complex simulation environment. These add-ons include an abstraction communication layer that performs events provided by the database server which is programmed by the students. An eLearning platform is used as interface between the students and the simulator. The students can visualize the effects of their instructions/programming in the simulator that they can access via the eLearning platform. The proposed framework aims to allow students from different backgrounds to fully experience robotics in practice by suppressing the huge gap between theory and practice that exists in robotics. Using an eLearning platform eliminates installation problems that can occur from different computers software distribution and makes the simulator accessible by all students at school and at home.

Environmental modeling with precision navigation using ROAZ autonomous surface vehicle

The use of robotic vehicles for environmental modeling is discussed. This paper presents diverse results in autonomous marine missions with the ROAZ autonomous surface vehicle. The vehicle can perform autonomous missions while gathering marine data with high inertial and positioning precision. The underwater world is an, economical and environmental, asset that need new tools to study and preserve it. ROAZ is used in marine environment missions since it can sense and monitor the surface and underwater scenarios. Is equipped with a diverse set of sensors, cameras and underwater sonars that generate 3D environmental models. It is used for study the marine life and possible underwater wrecks that can pollute or be a danger to marine navigation. The 3D model and integration of multibeam and sidescan sonars represent a challenge in nowadays. Adding that it is important that robots can explore an area and make decisions based on their surroundings and goals. Regard that, autonomous robotic systems can relieve human beings of repetitive and dangerous tasks.

Towards a Mobile Three-dimensional Modelling System for Underground Structures

Robotica 2012: 12th International Conference on Autonomous Robot Systems and Competitions April 11, 2012, Guimarães, Portugal