Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Controlador Boundary-Scan

A crescente complexidade dos sistemas electrónicos associada a um desenvolvimento nas tecnologias de encapsulamento levou à miniaturização dos circuitos integrados, provocando dificuldades e limitações no diagnóstico e detecção de falhas, diminuindo drasticamente a aplicabilidade dos equipamentos ICT. Como forma de lidar com este problema surgiu a infra-estrutura Boundary Scan descrita na norma IEEE1149.1 “Test Access Port and Boundary-Scan Architecture”, aprovada em 1990. Sendo esta solução tecnicamente viável e interessante economicamente para o diagnóstico de defeitos, efectua também outras aplicações. O SVF surgiu do desejo de incutir e fazer com que os fornecedores independentes incluíssem a norma IEEE 1149.1, é desenvolvido num formato ASCII, com o objectivo de enviar sinais, aguardar pela sua resposta, segundo a máscara de dados baseada na norma IEEE1149.1. Actualmente a incorporação do Boundary Scan nos circuitos integrados está em grande expansão e consequentemente usufrui de uma forte implementação no mercado. Neste contexto o objectivo da dissertação é o desenvolvimento de um controlador boundary scan que implemente uma interface com o PC e possibilite o controlo e monitorização da aplicação de teste ao PCB. A arquitectura do controlador desenvolvido contém um módulo de Memória de entrada, um Controlador TAP e uma Memória de saída. A implementação do controlador foi feita através da utilização de uma FPGA, é um dispositivo lógico reconfiguráveis constituído por blocos lógicos e por uma rede de interligações, ambos configuráveis, que permitem ao utilizador implementar as mais variadas funções digitais. A utilização de uma FPGA tem a vantagem de permitir a versatilidade do controlador, facilidade na alteração do seu código e possibilidade de inserir mais controladores dentro da FPGA. Foi desenvolvido o protocolo de comunicação e sincronização entre os vários módulos, permitindo o controlo e monitorização dos estímulos enviados e recebidos ao PCB, executados automaticamente através do software do Controlador TAP e de acordo com a norma IEEE 1149.1. A solução proposta foi validada por simulação utilizando o simulador da Xilinx. Foram analisados todos os sinais que constituem o controlador e verificado o correcto funcionamento de todos os seus módulos. Esta solução executa todas as sequências pretendidas e necessárias (envio de estímulos) à realização dos testes ao PCB. Recebe e armazena os dados obtidos, enviando-os posteriormente para a memória de saída. A execução do trabalho permitiu concluir que os projectos de componentes electrónicos tenderão a ser descritos num nível de abstracção mais elevado, recorrendo cada vez mais ao uso de linguagens de hardware, no qual o VHDL é uma excelente ferramenta de programação. O controlador desenvolvido será uma ferramenta bastante útil e versátil para o teste de PCBs e outras funcionalidades disponibilizadas pelas infra-estruturas BS.

Dosimetria das exposições em imagiologia clínica

A importância da radiação ionizante na prática médica, nãoo só como diagnóstico mas também como terapia, ganhou, no último meio século, uma importância fulcral. Devido aos efeitos secundários da radiação ao ser humano, torna-se fundamental definir regras para aumentar a segurança de todos os seus utilizadores, surgindo assim a radioprotecção. Nesse sentido a Comunidade Europeia da Energia Atómica (EURATOM) define directrizes para os países membros da Comunidade Europeia de forma a poder orientá-los nesse processo. Torna-se assim importante registar e monitorizar os valores de dose de radiação num exame radiológico para o aumento de segurança dos pacientes e técnicos. O presente trabalho desenvolvido no âmbito da disciplina anual Dissertação/Projecto/ Estágio Profissional do Mestrado em Computação e Instrumentação Médica teve como objectivo registar esses valores através da comunicação com medidores de doses. A luz do dia-a-dia da Dr. Campos Costa - Consultório de Tomogra a Computarizada S.A, é apresentada nesta tese uma aplicação computacional capaz de obter os valores de dose de um estudo radiológico a um paciente e guardá-los numa base de dados projectada exclusivamente para esse fim. Os resultados obtidos são animadores uma vez que provam ser possível automatizar a monitorização desses valores através de aplicações com ferramentas capazes de auxiliar os responsáveis por essa monitorização em qualquer centro clínico.

Magnetic resonance imaging of the vocal tract: techniques and applications

Magnetic resonance (MR) imaging has been used to analyse and evaluate the vocal tract shape through different techniques and with promising results in several fields. Our purpose is to demonstrate the relevance of MR and image processing for the vocal tract study. The extraction of contours of the air cavities allowed the set - up of a number of 3D reconstruction image stacks by means of the combination of orthogonally oriented sets of slices for e ach articulatory gesture, as a new approach to solve the expected spatial under sampling of the imaging process. In result these models give improved information for the visualization of morphologic and anatomical aspects and are useful for partial measure ments of the vocal tract shape in different situations. Potential use can be found in Medical and therapeutic applications as well as in acoustic articulatory speech modelling.

Nanohybrid materials as transducer surfaces for electrochemical sensing applications

A nanohybrid electrochemical transducer surface was developed using carbon and gold nanomaterials. The strategy relayed on casting multiwalled carbon nanotubes or carbon nanofibers onto a screen-printed carbon electrode surface, followed by in situ generation of gold nanoparticles by electrochemical deposition of ionic gold, in a reproducible manner. These transducers, so fabricated, were characterized using both electrochemical and microscopic techniques. Biofunctionality was evaluated using the streptavidin-biotin interaction system as the biological reaction model. These platforms allow to achieve low detection limits (in the order of pmoles), are reproducible and stable at least for a month after their preparation, being a perfect candidate to be used as transducer of different sensor devices.

Deteção e acompanhamento de movimento através de uma câmara de vídeo

A deteção e seguimento de pessoas tem uma grande variedade de aplicações em visão computacional. Embora tenha sido alvo de anos de investigação, continua a ser um tópico em aberto, e ainda hoje, um grande desafio a obtenção de uma abordagem que inclua simultaneamente exibilidade e precisão. O trabalho apresentado nesta dissertação desenvolve um caso de estudo sobre deteção e seguimento automático de faces humanas, em ambiente de sala de reuniões, concretizado num sistema flexível de baixo custo. O sistema proposto é baseado no sistema operativo GNU's Not Unix (GNU) linux, e é dividido em quatro etapas, a aquisição de vídeo, a deteção da face, o tracking e reorientação da posição da câmara. A aquisição consiste na captura de frames de vídeo das três câmaras Internet Protocol (IP) Sony SNC-RZ25P, instaladas na sala, através de uma rede Local Area Network (LAN) também ele já existente. Esta etapa fornece os frames de vídeo para processamento à detecção e tracking. A deteção usa o algoritmo proposto por Viola e Jones, para a identificação de objetos, baseando-se nas suas principais características, que permite efetuar a deteção de qualquer tipo de objeto (neste caso faces humanas) de uma forma genérica e em tempo real. As saídas da deteção, quando é identificado com sucesso uma face, são as coordenadas do posicionamento da face, no frame de vídeo. As coordenadas da face detetada são usadas pelo algoritmo de tracking, para a partir desse ponto seguir a face pelos frames de vídeo subsequentes. A etapa de tracking implementa o algoritmo Continuously Adaptive Mean-SHIFT (Camshift) que baseia o seu funcionamento na pesquisa num mapa de densidade de probabilidade, do seu valor máximo, através de iterações sucessivas. O retorno do algoritmo são as coordenadas da posição e orientação da face. Estas coordenadas permitem orientar o posicionamento da câmara de forma que a face esteja sempre o mais próximo possível do centro do campo de visão da câmara. Os resultados obtidos mostraram que o sistema de tracking proposto é capaz de reconhecer e seguir faces em movimento em sequências de frames de vídeo, mostrando adequabilidade para aplicação de monotorização em tempo real.

An Ada framework for QoS-Aware applications

In this paper we present a framework for managing QoS-aware applications in a dynamic, ad-hoc, distributed environment. This framework considers an available set of wireless/mobile and fixed nodes, which may temporally form groups in order to process a set of related services, and where there is the need to support different levels of service and different combinations of quality requirements. This framework is being developed both for testing and validating an approach, based on multidimensional QoS properties, which provides service negotiation and proposal evaluation algorithms, and for assessing the suitability of the Ada language to be used in the context of dynamic, QoS-aware systems.

Industrial multimedia put into practice

Recent developments in the factory floor technologies together with the widespread use of TCP/IP and the Internet are increasing the eagerness to support a new wide class of devices and applications, such as industrial multimedia applications, in factory floor networks. This paper presents how this new field of applications can be put into practice, via a manufacturing cell field trial being implemented. This manufacturing automation field trial involves the use of traditional distributed computer control systems and 'factory-floor-oriented' multimedia (e.g. voice, video) application services.

A survey of techniques and technologies for web-based real-time interactive rendering

When exploring a virtual environment, realism depends mainly on two factors: realistic images and real-time feedback (motions, behaviour etc.). In this context, photo realism and physical validity of computer generated images required by emerging applications, such as advanced e-commerce, still impose major challenges in the area of rendering research whereas the complexity of lighting phenomena further requires powerful and predictable computing if time constraints must be attained. In this technical report we address the state-of-the-art on rendering, trying to put the focus on approaches, techniques and technologies that might enable real-time interactive web-based clientserver rendering systems. The focus is on the end-systems and not the networking technologies used to interconnect client(s) and server(s).

Designing real-time systems based on mono-master Profibus-DP networks

Profibus networks are widely used as the communication infrastructure for supporting distributed computer-controlled applications. Most of the times, these applications impose strict real-time requirements. Profibus-DP has gradually become the preferred Profibus application profile. It is usually implemented as a mono-master Profibus network, and is optimised for speed and efficiency. The aim of this paper is to analyse the real-time behaviour of this class of Profibus networks. Importantly, we develop a new methodology for evaluating the worst-case message response time in systems where high-priority and cyclic low-priority Profibus traffic coexist. The proposed analysis constitutes a powerful tool to guarantee prior to runtime the real-time behaviour of a distributed computer-controlled system based on a Profibus network, where the realtime traffic is supported either by high-priority or by cyclic poll Profibus messages.

Replication management in reliable real-time systems

Building reliable real-time applications on top of commercial off-the-shelf (COTS) components is not a straightforward task. Thus, it is essential to provide a simple and transparent programming model, in order to abstract programmers from the low-level implementation details of distribution and replication. However, the recent trend for incorporating pre-emptive multitasking applications in reliable real-time systems inherently increases its complexity. It is therefore important to provide a transparent programming model, enabling pre-emptive multitasking applications to be implemented without resorting to simultaneously dealing with both system requirements and distribution and replication issues. The distributed embedded architecture using COTS components (DEAR-COTS) architecture has been previously proposed as an architecture to support real-time and reliable distributed computer-controlled systems (DCCS) using COTS components. Within the DEAR-COTS architecture, the hard real-time subsystem provides a framework for the development of reliable real-time applications, which are the core of DCCS applications. This paper presents the proposed framework, and demonstrates how it can be used to support the transparent replication of software components.

A power line communication stack for metering, SCADA and large-scale domotic applications

This paper describes the communication stack of the REMPLI system: a structure using power-lines and IPbased networks for communication, for data acquisition and control of energy distribution and consumption. It is furthermore prepared to use alternative communication media like GSM or analog modem connections. The REMPLI system provides communication service for existing applications, namely automated meter reading, energy billing and domotic applications. The communication stack, consisting of physical, network, transport, and application layer is described as well as the communication services provided by the system. We show how the peculiarities of the power-line communication influence the design of the communication stack, by introducing requirements to efficiently use the limited bandwidth, optimize traffic and implement fair use of the communication medium for the extensive communication partners.

INDEPTH: timeliness assessment of ethernet/IP-based systems

The continuous improvement of Ethernet technologies is boosting the eagerness of extending their use to cover factory-floor distributed real time applications. Indeed, it is remarkable the considerable amount of research work that has been devoted to the timing analysis of Ethernet-based technologies in the past few years. It happens, however, that the majority of those works are restricted to the analysis of sub-sets of the overall computing and communication system, thus without addressing timeliness in a holistic fashion. To this end, we address an approach, based on simulation, aiming at extracting temporal properties of commercial-off-the-shelf (COTS) Ethernet-based factory-floor distributed systems. This framework is applied to a specific COTS technology, Ethernet/IP. We reason about the modeling and simulation of Ethernet/IP-based systems, and on the use of statistical analysis techniques to provide useful results on timeliness. The approach is part of a wider framework related to the research project INDEPTH NDustrial-Ethernet ProTocols under Holistic analysis.

Reliable real-time communication in CAN networks

Controller area network (CAN) is a fieldbus network suitable for small-scale distributed computer controlled systems (DCCS), being appropriate for sending and receiving short real-time messages at speeds up to 1 Mbit/sec. Several studies are available on how to guarantee the real-time requirements of CAN messages, providing preruntime schedulability conditions to guarantee the real-time communication requirements of DCCS traffic. Usually, it is considered that CAN guarantees atomic multicast properties by means of its extensive error detection/signaling mechanisms. However, there are some error situations where messages can be delivered in duplicate or delivered only by a subset of the receivers, leading to inconsistencies in the supported applications. In order to prevent such inconsistencies, a middleware for reliable communication in CAN is proposed, taking advantage of CAN synchronous properties to minimize the runtime overhead. Such middleware comprises a set of atomic multicast and consolidation protocols, upon which the reliable communication properties are guaranteed. The related timing analysis demonstrates that, in spite of the extra stack of protocols, the real-time properties of CAN are preserved since the predictability of message transfer is guaranteed.

Distributed computing for the factory-floor: a real-time approach using WorldFIP networks

Field communication systems (fieldbuses) are widely used as the communication support for distributed computer-controlled systems (DCCS) within all sort of process control and manufacturing applications. There are several advantages in the use of fieldbuses as a replacement for the traditional point-to-point links between sensors/actuators and computer-based control systems, within which the most relevant is the decentralisation and distribution of the processing power over the field. A widely used fieldbus is the WorldFIP, which is normalised as European standard EN 50170. Using WorldFIP to support DCCS, an important issue is “how to guarantee the timing requirements of the real-time traffic?” WorldFIP has very interesting mechanisms to schedule data transfers, since it explicitly distinguishes periodic and aperiodic traffic. In this paper, we describe how WorldFIP handles these two types of traffic, and more importantly, we provide a comprehensive analysis on how to guarantee the timing requirements of the real-time traffic.