Application of Visual-Inertial SLAM for 3D Mapping of Underground Environments

The underground scenarios are one of the most challenging environments for accurate and precise 3d mapping where hostile conditions like absence of Global Positioning Systems, extreme lighting variations and geometrically smooth surfaces may be expected. So far, the state-of-the-art methods in underground modelling remain restricted to environments in which pronounced geometric features are abundant. This limitation is a consequence of the scan matching algorithms used to solve the localization and registration problems. This paper contributes to the expansion of the modelling capabilities to structures characterized by uniform geometry and smooth surfaces, as is the case of road and train tunnels. To achieve that, we combine some state of the art techniques from mobile robotics, and propose a method for 6DOF platform positioning in such scenarios, that is latter used for the environment modelling. A visual monocular Simultaneous Localization and Mapping (MonoSLAM) approach based on the Extended Kalman Filter (EKF), complemented by the introduction of inertial measurements in the prediction step, allows our system to localize himself over long distances, using exclusively sensors carried on board a mobile platform. By feeding the Extended Kalman Filter with inertial data we were able to overcome the major problem related with MonoSLAM implementations, known as scale factor ambiguity. Despite extreme lighting variations, reliable visual features were extracted through the SIFT algorithm, and inserted directly in the EKF mechanism according to the Inverse Depth Parametrization. Through the 1-Point RANSAC (Random Sample Consensus) wrong frame-to-frame feature matches were rejected. The developed method was tested based on a dataset acquired inside a road tunnel and the navigation results compared with a ground truth obtained by post-processing a high grade Inertial Navigation System and L1/L2 RTK-GPS measurements acquired outside the tunnel. Results from the localization strategy are presented and analyzed.

Thermographic and visible spectrum camera calibration for marine robotic target detection

Oceans - San Diego, 2013

Multi-robot cooperative stereo for outdoor scenarios

13th International Conference on Autonomous Robot Systems (Robotica), 2013

Equipamentos hospitalares de diagnóstico por imagem, seu estudo, projeto e implementação

Neste trabalho foi desenvolvido um estudo detalhado dos equipamentos de imagiologia médica, que recorrem ao uso de radiação-X, bem como da ressonância magnética. No seguimento deste estudo foram realizadas diversas atividades com equipamentos reais, desde instalações, reparações, manutenções, até ao seu desmantelamento. Este tipo de atividade permitiu ter uma melhor perceção do funcionamento de cada equipamento e o tipo de trabalho que é realizado por um engenheiro eletrotécnico na PHILIPS no sector healthcare. Durante estas atividades foi possível fazer um estudo da qualidade de imagem, em termos de fatores geométricos, em que foi estudada a distorção, a ampliação e a penumbra de uma imagem. Todos estes parâmetros foram alvos de estudo de forma a poder obter imagens com grande qualidade, mas sem que seja comprometida a saúde do doente, devido à elevada exposição de radiação que corpo humano pode absorver. Este estudo tem como intuito perceber como é que a variação de certos parâmetros irá alterar a qualidade da imagem. Desta forma pretende-se perceber como podem ser calibrados os equipamentos de diagnóstico por imagem, para que o técnico de diagnóstico e terapêutica apenas tenha de indicar qual a parte do corpo humano a radiografar, sendo que a máquina se coloca automaticamente nos parâmetros pré-definidos sem qualquer intervenção humana.

Estudo e Projeto de uma variante urbana no Concelho de Cinfães

A criação de infraestruturas passa pela construção de estradas que ligam pontos estratégicos, permitindo acesso a bens e serviços, de forma cómoda e segura. No desenvolvimento deste trabalho é abordado o estudo e projeto de uma variante urbana no concelho de Cinfães, nas especificidades de traçado, pavimentos e sinalização. Inicia-se por uma apresentação sobre o trabalho, os objetivos, estrutura e metodologia utilizada na sua elaboração. São apresentados os softwares utilizados, como editores de imagem (Google Earth, Microsoft ICE e Caesium) que permitem obter e trabalhar imagens panorâmicas, o Civil 3D que possibilita a realização ágil de um projeto de vias, e o Alize-LCPC que determina as caraterísticas de dimensionamento de um pavimento flexível. São apresentados os estudos necessários para a construção da variante em questão passando pela localização da via, o trabalho sobre o levantamento topográfico fornecido pela Câmara Municipal, condicionantes de traçado e serviços afetados. Posteriormente, são abordados alguns conceitos teóricos como geometria do traçado, velocidade, tráfego e visibilidade. Descrevem-se as caraterísticas geométricas de infraestruturas rodoviárias a conhecer anteriormente à realização de um projeto de execução de uma via, como o traçado em planta (alinhamentos retos, curvas, raios, sobreelevação, sobrelargura), perfil longitudinal (trainéis, inclinações, concordâncias verticais) e perfil transversal (faixa de rodagem, bermas, valetas e taludes). É realizada ainda uma apresentação sobre os elementos integrantes de uma plataforma rodoviária e passeio, os seus critérios de dimensionamento, como caraterização do tráfego, temperaturas de serviço e deformações, assim como os elementos teóricos para o estudo de drenagem (período de retorno, precipitação e tipos de dispositivos). São ainda apresentadas as caraterísticas gerais de um projeto de sinalização e segurança, enunciando as marcas rodoviárias e a sinalização vertical. Termina-se apresentando as soluções encontradas e os meios utilizados, para a elaboração do projeto de uma via nova, alargamento de via existente e requalificação de pavimento de um troço de ligação à EN222, expondo ainda as conclusões obtidas na realização do projeto com propostas para desenvolvimento futuros.

Optimização do Processo de Maquinagem de Componentes para a Indústria Automóvel

A indústria automóvel exige, em geral, elevados índices de produtividade e qualidade. Para corresponder às exigências deste tipo de indústria, são requeridos métodos avançados de produção, tentando eliminar ao máximo operações que não gerem valor acrescentado e que possam introduzir problemas no processo de garantia da qualidade. A maquinagem por arranque de apara é um processo utilizado de forma intensiva na indústria automóvel. No entanto, enquanto em componentes críticos como o motor, os processos estão já altamente otimizados, o mesmo não se verifica na maior parte dos sistemas periféricos, normalmente realizados por empresas mais pequenas que gravitam em torno dos principais fornecedores da cadeia de produção de automóveis. Os sistemas responsáveis pela movimentação dos limpa pára-brisas e elevação dos vidros, entre outros, encontram-se neste grupo. Este trabalho visa essencialmente otimizar o processo de maquinagem de componentes periféricos de automóveis, sujeitos a diferentes operações em vários planos. No entanto, e tal como em muitas outras situações relacionadas com a variedade de versões existentes na indústria automóvel relativamente a cada sistema, pretende-se que o processo seja suficientemente versátil para poder ser aplicado em vários componentes de uma mesma família de produtos, necessitando de um número de ajustes o mais baixo possível. O estudo passou por uma análise profunda das similaridades geométricas dos diferentes componentes, análise dos planos de maquinagem de cada componente, operações envolvidas, elencagem da necessidade específica de ferramentas, elaboração de gabaritos de fabrico e apresentação da solução final, a qual passa pela introdução de um 4º eixo e do seu controlo através do sistema CNC já existente, assim como pela elaboração de novos programas.

Estudo da resistência de juntas adesivas em L entre alumínio e material compósito

As ligações adesivas são frequentemente utilizadas na fabricação de estruturas complexas que não poderiam ou não seriam tão fáceis de ser fabricadas numa só peça, a fim de proporcionar uma união estrutural que, teoricamente, deve ser pelo menos tão resistente como o material de base. As juntas adesivas têm vindo a substituir métodos como a soldadura, e ligações parafusadas e rebitadas, devido à facilidade de fabricação, menor custo, facilidade em unir materiais diferentes, melhor resistência, entre outras características. Os materiais compósitos reforçados com fibra de carbono são amplamente utilizados em muitas indústrias, tais como de construção de barcos, automóvel e aeronáutica, sendo usados em estruturas que requerem elevada resistência e rigidez específicas, o que reduz o peso dos componentes, mantendo a resistência e rigidez necessárias para suportar as diversas cargas aplicadas. Embora estes métodos de fabricação reduzam ao máximo as ligações através de técnicas de fabrico avançadas, estas ainda são necessárias devido ao tamanho dos componentes, limitações de projecto tecnológicas e logísticas. Em muitas estruturas, a combinação de compósitos com metais tais como alumínio ou titânio traz vantagens de projecto. Este trabalho tem como objectivo estudar, experimentalmente e por modelos de dano coesivo (MDC), juntas adesivas em L entre componentes de alumínio e compósito de carbono epóxido quando solicitados a forças de arrancamento, considerando diferentes configurações de junta e adesivos de ductilidade distinta. Os parâmetros geométricos abordados são a espessura do aderente de alumínio (tP2) e comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica permitiu o estudo da distribuição das tensões, evolução do dano, resistência e modos de rotura. Os testes experimentais validam os resultados numéricos e fornecem mecanismos de projecto para juntas em L. Foi mostrado que a geometria do aderente em L (alumínio) e o tipo de adesivo têm uma influência directa na resistência de junta.

Experimental characterization of the out-of-plane performance of regular stone masonry walls, including test setups and axial load influence

Stone masonry is one of the oldest and most worldwide used building techniques. Nevertheless, the structural response of masonry structures is complex and the effective knowledge about their mechanical behaviour is still limited. This fact is particularly notorious when dealing with the description of their out-of-plane behaviour under horizontal loadings, as is the case of the earthquake action. In this context, this paper describes an experimental program, conducted in laboratory environment, aiming at characterizing the out-of-plane behaviour of traditional unreinforced stone masonry walls. In the scope of this campaign, six full-scale sacco stone masonry specimens were fully characterised regarding their most important mechanic, geometric and dynamic features and were tested resorting to two different loading techniques under three distinct vertical pre-compression states; three of the specimens were subjected to an out-of-plane surface load by means of a system of airbags and the remaining were subjected to an out-of-plane horizontal line-load at the top. From the experiments it was possible to observe that both test setups were able to globally mobilize the out-of-plane response of the walls, which presented substantial displacement capacity, with ratios of ultimate displacement to the wall thickness ranging between 26 and 45 %, as well as good energy dissipation capacity. Finally, very interesting results were also obtained from a simple analytical model used herein to compute a set of experimental-based ratios, namely between the maximum stability displacement and the wall thickness for which a mean value of about 60 % was found.

Simulation of masonry out-of-plane failure modes by multi-body dynamics

The seismic assessment of the local failure modes in existing masonry buildings is currently based on the identification of the so-called local mechanisms, often associated with the out-of-plane wall behavior, whose stability is evaluated by static force-based approaches and, more recently, by some displacement-based proposals. Local mechanisms consist of kinematic chains of masonry portions, often regarded as rigid bodies, with geometric nonlinearity and concentrated nonlinearity in predefined contact regions (unilateral no-tension behavior, possible sliding with friction). In this work, the dynamic behavior of local mechanisms is simulated through multi-body dynamics, to obtain the nonlinear response with efficient time history analyses that directly take into account the characteristics of the ground motion. The amplification/filtering effects of the structure are considered within the input motion. The proposed approach is validated with experimental results of two full-scale shaking-table tests on stone masonry buildings: a sacco-stone masonry façade tested at Laboratório Nacional de Engenharia Civil and a two-storey double-leaf masonry building tested at European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering (EUCENTRE).

Fractais - Aplicações em Engenharia

Num universo despovoado de formas geométricas perfeitas, onde proliferam superfícies irregulares, difíceis de representar e de medir, a geometria fractal revelou-se um instrumento poderoso no tratamento de fenómenos naturais, até agora considerados erráticos, imprevisíveis e aleatórios. Contudo, nem tudo na natureza é fractal, o que significa que a geometria euclidiana continua a ser útil e necessária, o que torna estas geometrias complementares. Este trabalho centra-se no estudo da geometria fractal e na sua aplicação a diversas áreas científicas, nomeadamente, à engenharia. São abordadas noções de auto-similaridade (exata, aproximada), formas, dimensão, área, perímetro, volume, números complexos, semelhança de figuras, sucessão e iterações relacionadas com as figuras fractais. Apresentam-se exemplos de aplicação da geometria fractal em diversas áreas do saber, tais como física, biologia, geologia, medicina, arquitetura, pintura, engenharia eletrotécnica, mercados financeiros, entre outras. Conclui-se que os fractais são uma ferramenta importante para a compreensão de fenómenos nas mais diversas áreas da ciência. A importância do estudo desta nova geometria, é avassaladora graças à sua profunda relação com a natureza e ao avançado desenvolvimento tecnológico dos computadores.

Geometria: um estudo sobre quadriláteros no 4.º ano de escolaridade com recurso ao geoplano e ao GeoGebra

O presente estudo foi desenvolvido no âmbito do Mestrado de Didática da Matemática e Ciências da Natureza, no 1.º e 2.º Ciclos, no domínio da Geometria. Tem como principal objetivo compreender e analisar, através da implementação de uma sequência de tarefas de investigação e exploração, de que forma o processo de ensino e aprendizagem dos alunos, na área dos quadriláteros, com os recursos GeoGebra e o Geoplano, contribui para o desenvolvimento do raciocínio geométrico. Neste sentido, definiram-se as seguintes questões de investigação: (1) Qual a imagem concetual que os alunos possuem de cada um dos quadriláteros? (2) Que conhecimentos têm os alunos sobre as propriedades dos quadriláteros: quadrados, retângulos e losangos? (3) Quais os contributos do Geoplano e do GeoGebra na compreensão e identificação das propriedades dos quadriláteros? A metodologia adotada foi de natureza qualitativa, do tipo interpretativo, baseada em dois estudos de caso. Na recolha de dados, foram utilizados os seguintes instrumentos: observação, questionário, documentos produzidos pelos alunos, entrevistas informais, registos áudio e fotografias aos trabalhos realizados. Na análise dos dados, procurou-se descrever e interpretar os dados recolhidos, no âmbito do objeto do estudo. Os resultados mostraram que a sequência de tarefas e o modo como foram desenvolvidas foram fundamentais na compreensão dos conteúdos trabalhados. Regista-se também que os recursos utilizados motivaram os alunos e contribuíram para a interação, como também para a compreensão dos conceitos geométricos. Por outro lado, a utilização do GeoGebra e do Geoplano contribuíram para o desenvolvimento do raciocínio espacial e geométrico.

Viva@Matemática project: a different way to see math

Viva@Mat is a project developed by four Math teachers from the School of Industrial Studies and Management (ESEIG) that was born with the fundamental objective of engaging ESEIG students with different math backgrounds in Math challenging activities. Some of these activities were transformed into real palpable materials and others into small interactive ones, being the great majority of them proposed by ESEIG’ students themselves. This small project rapidly grew into something we didn’t expect – it did flow over the walls of our institution to the general involving community – specifically to pre-university schools through the Viva@Math Exhibits – Orange, Blue and Green (the fourth, the Purple one is still in development). Nowadays, Viva@Math Exhibits – the public face of the Project – are itinerant and have been travelling between several, and different institutions (pre-university schools, preparatory schools, libraries, among others), around ESEIG and IPP area of influence and having registered visitors/participants of all ages. In this article we will describe the Viva@Math Project, its different activities that are categorized in some “great groups” like Numerical Trivia, Logic Activities and Mental Calculation, Puzzles, Geometric Curiosities, Magic Tricks, among others, designed to challenge students to use the underlying logical-mathematical reasoning to any ordinary and everyday activity. We will give specific and concrete examples of some of the activities developed and, also, reproduce of the general stimulating feedback the Project receives from the enrolled “actors” (teachers, students and their relatives, institutions, among others). We feel that this Project has become a small “bridge” between the pre-university schools and Higher Education Institutions (HEI), in trying to shorten the “gap” between the institutions of different levels of education and bring them to work together.

Estudo e análise do sequenciamento de tarefas de produção: job shop scheduling

Esta dissertação apresenta um estudo sobre os problemas de sequenciamento de tarefas de produção do tipo job shop scheduling. Os problemas de sequenciamento de tarefas de produção pretendem encontrar a melhor sequência para o processamento de uma lista de tarefas, o instante de início e término de cada tarefa e a afetação de máquinas para as tarefas. Entre estes, encontram-se os problemas com máquinas paralelas, os problemas job shop e flow shop. As medidas de desempenho mais comuns são o makespan (instante de término da execução de todas as tarefas), o tempo de fluxo total, a soma dos atrasos (tardiness), o atraso máximo, o número de tarefas que são completadas após a data limite, entre outros. Num problema do tipo job shop, as tarefas (jobs) consistem num conjunto de operações que têm de ser executadas numa máquina pré-determinada, obedecendo a um determinado sequenciamento com tempos pré-definidos. Estes ambientes permitem diferentes cenários de sequenciamento das tarefas. Normalmente, não são permitidas interrupções no processamento das tarefas (preemption) e pode ainda ser necessário considerar tempos de preparação dependentes da sequência (sequence dependent setup times) ou atribuir pesos (prioridades) diferentes em função da importância da tarefa ou do cliente. Pretende-se o estudo dos modelos matemáticos existentes para várias variantes dos problemas de sequenciamento de tarefas do tipo job shop e a comparação dos resultados das diversas medidas de desempenho da produção. Este trabalho contribui para demonstrar a importância que um bom sequenciamento da produção pode ter na sua eficiência e consequente impacto financeiro.

Projeto de molde para a injeção de peça plástica complexa para a indústria automóvel

A fabricação de moldes é um pilar da indústria metalomecânica nacional. A qualidade patenteada pelos moldes de fabrico nacional é reconhecida mundialmente. A fabricação de um molde é sempre um novo desafio, dadas as especificidades de cada peça e à complexidade geométrica que normalmente apresentam. Este trabalho teve por principal objetivo proceder ao projeto, fabricação e ajuste de um molde para uma peça plástica complexa, destinada à indústria automóvel, a qual, pela sua complexidade geométrica, elevada relação de área versus espessura e grande número de reforços bastante delgados, exige cuidados especiais no momento de se tomarem decisões quanto às melhores metodologias a adotar na sua fabricação, com vista a garantir a qualidade exigida pelo cliente final. O projeto foi desenvolvido e levado a cabo, permitindo constatar que algumas das opções tomadas na fase do projeto foram as mais adequadas, exigindo pouco trabalho de afinação no final e permitindo a extração de peças com elevada repetibilidade de características e a qualidade requerida pelo cliente.

Melhoria do planeamento e abastecimento à montagem

Para conseguir responder às exigências atuais dos mercados, as indústrias necessitam de ser flexíveis, ou seja, é necessário terem a capacidade de adaptar o seu funcionamento e os seus produtos às alterações que se sucedem. Como forma de responder a este facto, o funcionamento da empresa assenta numa produção flexível para conseguir que os seus produtos que abranjam diferente o maior número possível de clientes. No entanto esta metodologia tem apresentado alguns problemas na sua implementação, por isso com o objetivo de obter uma produção mais eficaz e eficiente, a empresa tem canalizado esforços para a melhoria contínua das linhas de montagem. O trabalho desenvolvido na FUTE está enquadrado com a melhoria contínua e visa o processo de abastecimento dos diversos materiais necessários para a produção, característica fundamental para que as linhas possam produzir de forma contínua. Este estudo iniciou-se por analisar o método de abastecimento e identificar os seus problemas e causas, para que posteriormente com o auxílio dos conhecimentos adq uiridos, fosse possível conceber soluções. Os resultados apresentados neste trabalho demonstram que as melhorias implementadas a nível de organização de armazéns, métodos de trabalho e meios de transporte de materiais permitem diminuir o tempo e os recursos necessários durante o processo de abastecimento, além de melhorar condições de trabalho dos operários.