Fractional dynamics in the trajectory control of redundant manipulators

Under the pseudoinverse control, robots with kinematical redundancy exhibit an undesirable chaotic joint motion which leads to an erratic behavior. This paper studies the complexity of fractional dynamics of the chaotic response. Fourier and wavelet analysis provides a deeper insight, helpful to know better the lack of repeatability problem of redundant manipulators. This perspective for the study of the chaotic phenomena will permit the development of superior trajectory control algorithms.

Sistemas de prevenção de cuidados de saúde

A tomada de decisão na saúde pode-se tornar um processo complexo e moroso. A complexidade associada ao processo de decisão na saúde advém da diversidade de opções clinicamente razoáveis, ou seja, nenhuma opção se sobrepõem _a outra, visto que cada uma possui os seus riscos e benefícios, que são normalmente interpretados de modo diferente entre os indivíduos. Desta forma, cabe ao paciente e _a sua equipa médica optarem pela opção que melhor se enquadra na situação clínica do paciente Para tornar este processo menos complexo, cada vez mais se utiliza as chamadas "ferramentas de decisão", que se caraterizam por fornecer informação sobre as diferentes opções clínicas, traduzindo-se numa diminuição da dificuldade da tomada de decisão. De uma forma geral, as ferramentas de decisão são desenvolvidas com o intuito de facilitar a tomada de decisão, através do aumento do conhecimento científico sobre um determinado problema (tomada de decisão informada) e uma mudança de atitude do paciente face aos seus cuidados de saúde. Na realização da presente dissertação foi desenvolvido um sistema de informação na web, que engloba informação relativa ao rastreio do cancro da próstata. Este sistema também surge acoplado a um conjunto de componentes de decisão, que têm como objetivo auxiliar os indivíduos no processo de decisão para a realização do rastreio do cancro da próstata, assim como a prevenção de doenças relacionadas com a próstata. A implementação desta aplicação web teve como base as necessidades do indivíduo, ou seja informações clínicas sobre possíveis riscos e benefícios associados ao rastreio, assim como fornecer uma maior interatividade com o utilizador. A primeira versão da aplicação já foi testada e avaliada através da participação de um conjunto de indivíduos que compõem o público-alvo para este tipo de aplicações. Os resultados obtidos permitiram concluir que os requisitos definidos para esta aplicação, permitem o aumento do conhecimento do indivíduo e o auxílio na tomada de decisão para a realização do rastreio do cancro da próstata.

Fast mobility support in low-power wireless networks: smart-HOP over RPL/6LoWPAN

With the emergence of low-power wireless hardware new ways of communication were needed. In order to standardize the communication between these low powered devices the Internet Engineering Task Force (IETF) released the 6LoWPAN stand- ard that acts as an additional layer for making the IPv6 link layer suitable for the lower-power and lossy networks. In the same way, IPv6 Routing Protocol for Low- Power and Lossy Networks (RPL) has been proposed by the IETF Routing Over Low power and Lossy networks (ROLL) Working Group as a standard routing protocol for IPv6 routing in low-power wireless sensor networks. The research performed in this thesis uses these technologies to implement a mobility process. Mobility management is a fundamental yet challenging area in low-power wireless networks. There are applications that require mobile nodes to exchange data with a xed infrastructure with quality-of-service guarantees. A prime example of these applications is the monitoring of patients in real-time. In these scenarios, broadcast- ing data to all access points (APs) within range may not be a valid option due to the energy consumption, data storage and complexity requirements. An alternative and e cient option is to allow mobile nodes to perform hand-o s. Hand-o mechanisms have been well studied in cellular and ad-hoc networks. However, low-power wireless networks pose a new set of challenges. On one hand, simpler radios and constrained resources ask for simpler hand-o schemes. On the other hand, the shorter coverage and higher variability of low-power links require a careful tuning of the hand-o parameters. In this work, we tackle the problem of integrating smart-HOP within a standard protocol, speci cally RPL. The simulation results in Cooja indicate that the pro- posed scheme minimizes the hand-o delay and the total network overhead. The standard RPL protocol is simply unable to provide a reliable mobility support sim- ilar to other COTS technologies. Instead, they support joining and leaving of nodes, with very low responsiveness in the existence of physical mobility.

A Hybrid Simulated Annealing approach to handle Energy Resource Management considering an intensive use of Electric Vehicles

The massification of electric vehicles (EVs) can have a significant impact on the power system, requiring a new approach for the energy resource management. The energy resource management has the objective to obtain the optimal scheduling of the available resources considering distributed generators, storage units, demand response and EVs. The large number of resources causes more complexity in the energy resource management, taking several hours to reach the optimal solution which requires a quick solution for the next day. Therefore, it is necessary to use adequate optimization techniques to determine the best solution in a reasonable amount of time. This paper presents a hybrid artificial intelligence technique to solve a complex energy resource management problem with a large number of resources, including EVs, connected to the electric network. The hybrid approach combines simulated annealing (SA) and ant colony optimization (ACO) techniques. The case study concerns different EVs penetration levels. Comparisons with a previous SA approach and a deterministic technique are also presented. For 2000 EVs scenario, the proposed hybrid approach found a solution better than the previous SA version, resulting in a cost reduction of 1.94%. For this scenario, the proposed approach is approximately 94 times faster than the deterministic approach.

A physical packing sequence algorithm for the container loading problem with static mechanical equilibrium conditions

The container loading problem (CLP) is a combinatorial optimization problem for the spatial arrangement of cargo inside containers so as to maximize the usage of space. The algorithms for this problem are of limited practical applicability if real-world constraints are not considered, one of the most important of which is deemed to be stability. This paper addresses static stability, as opposed to dynamic stability, looking at the stability of the cargo during container loading. This paper proposes two algorithms. The first is a static stability algorithm based on static mechanical equilibrium conditions that can be used as a stability evaluation function embedded in CLP algorithms (e.g. constructive heuristics, metaheuristics). The second proposed algorithm is a physical packing sequence algorithm that, given a container loading arrangement, generates the actual sequence by which each box is placed inside the container, considering static stability and loading operation efficiency constraints.

Task assignment algorithms for two-type heterogeneous multiprocessors

Consider the problem of assigning implicit-deadline sporadic tasks on a heterogeneous multiprocessor platform comprising two different types of processors—such a platform is referred to as two-type platform. We present two low degree polynomial time-complexity algorithms, SA and SA-P, each providing the following guarantee. For a given two-type platform and a task set, if there exists a task assignment such that tasks can be scheduled to meet deadlines by allowing them to migrate only between processors of the same type (intra-migrative), then (i) using SA, it is guaranteed to find such an assignment where the same restriction on task migration applies but given a platform in which processors are 1+α/2 times faster and (ii) SA-P succeeds in finding a task assignment where tasks are not allowed to migrate between processors (non-migrative) but given a platform in which processors are 1+α times faster. The parameter 0<α≤1 is a property of the task set; it is the maximum of all the task utilizations that are no greater than 1. We evaluate average-case performance of both the algorithms by generating task sets randomly and measuring how much faster processors the algorithms need (which is upper bounded by 1+α/2 for SA and 1+α for SA-P) in order to output a feasible task assignment (intra-migrative for SA and non-migrative for SA-P). In our evaluations, for the vast majority of task sets, these algorithms require significantly smaller processor speedup than indicated by their theoretical bounds. Finally, we consider a special case where no task utilization in the given task set can exceed one and for this case, we (re-)prove the performance guarantees of SA and SA-P. We show, for both of the algorithms, that changing the adversary from intra-migrative to a more powerful one, namely fully-migrative, in which tasks can migrate between processors of any type, does not deteriorate the performance guarantees. For this special case, we compare the average-case performance of SA-P and a state-of-the-art algorithm by generating task sets randomly. In our evaluations, SA-P outperforms the state-of-the-art by requiring much smaller processor speedup and by running orders of magnitude faster.

Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

An integer programming model for the minimum interval graph completion problem

The minimum interval graph completion problem consists of, given a graph G = ( V, E ), finding a supergraph H = ( V, E ∪ F ) that is an interval graph, while adding the least number of edges |F| . We present an integer programming formulation for solving the minimum interval graph completion problem recurring to a characteri- zation of interval graphs that produces a linear ordering of the maximal cliques of the solution graph.

Using interval graphs in an order processing optimization problem

In this paper we address an order processing optimization problem known as minimization of open stacks (MOSP). We present an integer pro gramming model, based on the existence of a perfect elimination scheme in interval graphs, which finds an optimal sequence for the costumers orders.

A New Heuristic Providing an Effective Initial Solution for a Simulated Annealing approach to Energy Resource Scheduling in Smart Grids

An intensive use of dispersed energy resources is expected for future power systems, including distributed generation, especially based on renewable sources, and electric vehicles. The system operation methods and tool must be adapted to the increased complexity, especially the optimal resource scheduling problem. Therefore, the use of metaheuristics is required to obtain good solutions in a reasonable amount of time. This paper proposes two new heuristics, called naive electric vehicles charge and discharge allocation and generation tournament based on cost, developed to obtain an initial solution to be used in the energy resource scheduling methodology based on simulated annealing previously developed by the authors. The case study considers two scenarios with 1000 and 2000 electric vehicles connected in a distribution network. The proposed heuristics are compared with a deterministic approach and presenting a very small error concerning the objective function with a low execution time for the scenario with 2000 vehicles.

Estudo do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos alimentares usados

O instável mas tendencialmente crescente preço dos combustíveis associado a preocupações ambientais cada vez mais enraizadas nas sociedades, têm vindo a despoletar uma maior atenção à procura de combustíveis alternativos. Por outro lado, várias projecções indicam um aumento muito acentuado do consumo energético global no curto prazo, fruto do aumento da população e do nível de industrialização das sociedades. Neste contexto, o biodiesel (ésteres de ácidos gordos) obtido através da transesterificação de triglicerídeos de origem vegetal ou animal, surge como a alternativa “verde” mais viável para utilização em equipamentos de combustão. A reacção de transesterificação é catalisada, por norma com recurso a catalisadores homogéneos alcalinos (NaOH ou KOH). Este tipo de processo, o único actualmente com expressão a nível industrial, apresenta algumas desvantagens que, para além de aumentarem o custo do produto final, contribuem para reduzir a benignidade do mesmo: a impossibilidade de reutilização do catalisador, o aumento do número e complexidade das etapas de separação e a produção de efluentes resultantes das referidas etapas. Com o intuito de minimizar ou eliminar estes problemas, vários catalisadores heterogéneos têm vindo a ser estudados para esta reacção. Apesar de muitos apresentarem resultados promissores, a grande maioria não tem viabilidade para aplicação industrial seja devido ao seu próprio custo, seja devido aos pré-tratamentos necessários à sua utilização. Entre estes catalisadores, o óxido de cálcio é talvez o que apresenta resultados mais promissores. O crescente número de estudos envolvendo este catalisador em detrimento de outros, é por si mesmo prova do potencial do CaO. A realização deste trabalho pretendia atingir os seguintes objectivos principais: • Avaliar a elegibilidade do óxido de cálcio enquanto catalisador da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Avaliar qual a sua influência nas características dos produtos finais; • Avaliar as diferenças de performance entre o óxido de cálcio activado em atmosfera inerte (N2) e em ar, enquanto catalisadores da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Optimizar as condições da reacção com recurso às ferramentas matemáticas disponibilizadas pelo planeamento factorial, através da variação de quatro factores chave de influência: temperatura, tempo, relação metanol / óleo e massa de catalisador utilizado. O CaO utlizado foi obtido a partir de carbonato de cálcio calcinado numa mufla a 750 °C durante 3 h. Foi posteriormente activado a 900 °C durante 2h, em atmosferas diferentes: azoto (CaO-N2) e ar (CaO-Ar). Avaliaram-se algumas propriedades dos catalisadores assim preparados, força básica, concentração de centros activos e áreas específicas, tendo-se obtido uma força básica situada entre 12 e 14 para ambos os catalisadores, uma concentração de centros activos de 0,0698 mmol/g e 0,0629 mmol/g e áreas específicas de 10 m2/g e 11 m2/g respectivamente para o CaO-N2 e CaO-Ar. Efectuou-se a transesterificação, com catálise homogénea, da mistura de óleos usados utilizada neste trabalho com o objectivo de determinar os limites para o teor de FAME’s (abreviatura do Inglês de Fatty Acid Methyl Esters’) que se poderiam obter. Foi este o parâmetro avaliado em cada uma das amostras obtidas por catálise heterogénea. Os planos factoriais realizados tiveram como objectivo maximizar a sua quantidade recorrendo à relação ideal entre tempo de reacção, temperatura, massa de catalisador e quantidade de metanol. Verificou-se que o valor máximo de FAME’s obtidos a partir deste óleo estava situado ligeiramente acima dos 95 % (m/m). Realizaram-se três planos factoriais com cada um dos catalisadores de CaO até à obtenção das condições óptimas para a reacção. Não se verificou influência significativa da relação entre a quantidade de metanol e a massa de óleo na gama de valores estudada, pelo que se fixou o valor deste factor em 35 ml de metanol / 85g de óleo (relação molar aproximada de 8:1). Verificou-se a elegibilidade do CaO enquanto catalisador para a reacção estudada, não se tendo observado diferenças significativas entre a performance do CaO-N2 e do CaO-Ar. Identificaram-se as condições óptimas para a reacção como sendo os valores de 59 °C para a temperatura, 3h para o tempo e 1,4 % de massa de catalisador relativamente à massa de óleo. Nas referidas condições, obtiveram-se produtos com um teor de FAME’s de 95,7 % na catálise com CaO-N2 e 95,3 % na catálise com CaO-Ar. Alguns autores de estudos consultados no desenvolvimento do presente trabalho, referiam como principal problema da utilização do CaO, a lixiviação de cálcio para os produtos obtidos. Este facto foi confirmado no presente trabalho e na tentativa de o contornar, tentou-se promover a carbonatação do cálcio com a passagem de ar comprimido através dos produtos e subsequente filtração. Após a realização deste tratamento, não mais se observaram alterações nas suas propriedades (aparecimento de turvação ou precipitados), no entanto, nos produtos obtidos nas condições óptimas, a concentração de cálcio determinada foi de 527 mg/kg no produto da reacção catalisada com CaO-N2 e 475 mg/kg com CaO-A. O óxido de cálcio apresentou-se como um excelente catalisador na transesterificação da mistura de óleos alimentares usados utilizada no presente trabalho, apresentando uma performance ao nível da obtida por catálise homogénea básica. Não se observaram diferenças significativas de performance entre o CaO-N2 e o CaO-Ar, sendo possível obter nas mesmas condições reaccionais produtos com teores de FAME’s superiores a 95 % utilizando qualquer um deles como catalisador. O elevado teor de cálcio lixiviado observado nos produtos, apresenta-se como o principal obstáculo à aplicação a nível industrial do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos.

CDIO and the European Project Semester: a match for capstone projects?

The CDIO Initiative is an open innovative educational framework for engineering graduation degrees set in the context of Conceiving – Designing – Implementing – Operating real-world systems and products, which is embraced by a network of worldwide universities, the CDIO collaborators. A CDIO compliant engineering degree programme typically includes a capstone module on the final semester. Its purpose is to expose students to problems of a greater dimension and complexity than those faced throughout the degree programme as well as to put them in contact with the so-called real world, in opposition to the academic world. However, even in the CDIO context, there are barriers that separate engineering capstone students from the real world context of an engineering professional: (i) limited interaction with experts from diverse scientific areas; (ii) reduced cultural and scientific diversity within the teams; and (iii) lack of a project supportive framework to foster the complementary technical and non-technical skills required in an engineering professional. To address these shortcomings, we propose the adoption of the European Project Semester (EPS) framework, a one semester student centred international capstone programme offered by a group of European engineering schools (the EPS Providers) as part of their student exchange programme portfolio. The EPS package is organised around a central module – the EPS project – and a set of complementary supportive modules. Project proposals refer to open multidisciplinary real world problems and supervision becomes coaching. The students are organised in teams, grouping individuals from diverse academic backgrounds and nationalities, and each team is fully responsible for conducting its project. EPS complies with the CDIO directives on Design-Implement experiences and provides an integrated framework for undertaking capstone projects, which is focussed on multicultural and multidisciplinary teamwork, problem-solving, communication, creativity, leadership, entrepreneurship, ethical reasoning and global contextual analysis. As a result, we recommend the adoption of the EPS within CDIO capstone modules for the benefit of engineering students.

Development of Biomimetic Robots in the EPS Engineering Programme Capstone Project

This paper proposes the development of biologically inspired robots as the capstone project of the European Project Semester (EPS) framework. EPS is a one semester student centred international programme offered by a group of European engineering schools (EPS Providers) as part of their student exchange programme portfolio. EPS is organized around a central module (the EPS project) and a set of complementary supportive modules. Project proposals refer to open multidisciplinary real world problems. Its purpose is to expose students to problems of a greater dimension and complexity than those faced throughout the degree programme as well as to put them in contact with the socalled real world, in opposition to the academic world. Students are organized in teams, grouping individuals from diverse academic backgrounds and nationalities, and each team is fully responsible for conducting its project. EPS provides an integrated framework for undertaking capstone projects, which is focused on multicultural and multidisciplinary teamwork, communication, problem-solving, creativity, leadership, entrepreneurship, ethical reasoning and global contextual analysis. The design and development of biologically inspired robots allows the students to fulfil the previously described requirements and objectives and, as a result, we recommend the adoption of these projects within the EPS project capstone module for the benefit of engineering students.

Otimização do Funcionamento da ETAR das Termas de S. Vicente, Penafiel

A água é um recurso natural único, escasso e essencial a todos os seres vivos, o que a torna um bem de extrema importância. Nos dias de hoje, o desperdício deste bem, aliado ao aumento da sua procura, tornou-se um problema devido à decrescente disponibilidade de água doce no nosso planeta. Todas as águas que rejeitamos depois da sua utilização para diversos fins, designadas de águas residuais, necessitam de tratamento antes de serem devolvidas ao meio ambiente. O seu tratamento é realizado numa Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) e o processo de tratamento depende das suas características. A ETAR das Termas de S. Vicente, em Penafiel, trabalha no seu limite de capacidade, apresenta uma sobrecarga hidráulica gerada por uma afluência de águas pluviais e o processamento das lamas geradas não permite uma secagem tão completa como seria desejável. Assim, este trabalho teve como objetivo o estudo do funcionamento desta ETAR com a finalidade de propor soluções que o possam otimizar. As soluções propostas para otimizar o funcionamento da ETAR em estudo são: i) a substituição de grades de limpeza manual por grades de limpeza automática de forma a reduzir a necessidade da intervenção do operador ao nível da remoção e condicionamento dos gradados; ii) a construção de um desarenador arejado que além de remover areias de diâmetro superior a 0,2 mm promove também a remoção de gorduras, protegendo desta forma os equipamentos a jusante da abrasão/desgaste prematuros e reduzindo a formação de depósitos nas tubagens; iii) a construção de um tanque de equalização de forma a garantir uma distribuição mais uniforme dos caudais e da carga poluente; iv) a substituição do enchimento do leito percolador por um meio de suporte plástico que permite atingir melhores eficiências de remoção neste tratamento biológico; v) a alteração do agente de desinfeção para radiação ultravioleta, evitando a adição de produtos químicos na água residual e possível formação de subprodutos prejudiciais ao ambiente, como ocorreria no caso da cloragem; e vi) a substituição da desidratação de lamas em leitos de secagem por filtros de banda, que é um processo mais rápido, que ocupa menos espaço e permite atingir elevadas eficiências de remoção de humidade. Para cada uma das sugestões são apresentadas as correspondentes especificações técnicas e dimensionamento. As sugestões de melhoria apresentadas neste trabalho constituem uma alternativa mais económica do que a ampliação da ETAR, que genericamente corresponde à duplicação da linha de tratamento atual. Devido à menor complexidade em termos de construção, estas sugestões podem vir a ser implementadas num futuro próximo, prolongando assim um pouco mais a vida útil da ETAR atual.