Simulador em Realidade Virtual para Aprendizagem da Física

A forma como aprendemos depende do contexto tecnológico e sociocultural que nos rodeia, actualmente a inclusão de tecnologia recente na sala de aula não é mais considerada opcional, mas sim uma necessidade pois a forma como o aluno aprende está em constante evolução. Tendo em atenção esta necessidade, foi desenvolvido no decorrer desta tese um simulador em realidade virtual que utiliza comandos/interfaces hápticos. O objectivo deste simulador é ensinar conceitos de física de forma interactiva. Os dispositivos hápticos permitem adicionar o sentido táctil ou de toque à interacção entre homem e máquina, permitindo assim aceder a novas sensações relativas ao seu uso nomeadamente com objectivos de aprendizagem. O simulador desenvolvido designado por “Forces of Physics” aborda três tipos de forças da física: forças de atrito, forças gravitacionais e forças aerodinâmicas. Cada tipo de força corresponde a um módulo do simulador contendo uma simulação individual em que são explicados conceitos específicos dessa força num ambiente visual estimulante e com uma interacção mais realista devido à inclusão do dispositivo háptico Novint Falcon. O simulador foi apresentado a vários utilizadores bem como á comunidade científica através de apresentações em conferências. A avaliação foi realizada com recurso a um questionário com dez perguntas, cinco de sobre aprendizagem e cinco sobre a utilização, tendo sido preenchido por 14 utilizadores. O simulador obteve uma boa recepção por parte dos utilizadores, tendo vários utilizadores expressado as suas opiniões sobre estado actual do simulador, do futuro do mesmo e da respectiva validade para uso na sala de aula.

Tolerância a falhas em sistemas de tempo-real distribuídos e embebidos

Este documento descreve um modelo de tolerância a falhas para sistemas de tempo-real distribuídos. A sugestão deste modelo tem como propósito a apresentação de uma solu-ção fiável, flexível e adaptável às necessidades dos sistemas de tempo-real distribuídos. A tolerância a falhas é um aspeto extremamente importante na construção de sistemas de tempo-real e a sua aplicação traz inúmeros benefícios. Um design orientado para a to-lerância a falhas contribui para um melhor desempenho do sistema através do melhora-mento de aspetos chave como a segurança, a confiabilidade e a disponibilidade dos sis-temas. O trabalho desenvolvido centra-se na prevenção, deteção e tolerância a falhas de tipo ló-gicas (software) e físicas (hardware) e assenta numa arquitetura maioritariamente basea-da no tempo, conjugada com técnicas de redundância. O modelo preocupa-se com a efi-ciência e os custos de execução. Para isso utilizam-se também técnicas tradicionais de to-lerância a falhas, como a redundância e a migração, no sentido de não prejudicar o tempo de execução do serviço, ou seja, diminuindo o tempo de recuperação das réplicas, em ca-so de ocorrência de falhas. Neste trabalho são propostas heurísticas de baixa complexida-de para tempo-de-execução, a fim de se determinar para onde replicar os componentes que constituem o software de tempo-real e de negociá-los num mecanismo de coordena-ção por licitações. Este trabalho adapta e estende alguns algoritmos que fornecem solu-ções ainda que interrompidos. Estes algoritmos são referidos em trabalhos de investiga-ção relacionados, e são utilizados para formação de coligações entre nós coadjuvantes. O modelo proposto colmata as falhas através de técnicas de replicação ativa, tanto virtual como física, com blocos de execução concorrentes. Tenta-se melhorar ou manter a sua qualidade produzida, praticamente sem introduzir overhead de informação significativo no sistema. O modelo certifica-se que as máquinas escolhidas, para as quais os agentes migrarão, melhoram iterativamente os níveis de qualidade de serviço fornecida aos com-ponentes, em função das disponibilidades das respetivas máquinas. Caso a nova configu-ração de qualidade seja rentável para a qualidade geral do serviço, é feito um esforço no sentido de receber novos componentes em detrimento da qualidade dos já hospedados localmente. Os nós que cooperam na coligação maximizam o número de execuções para-lelas entre componentes paralelos que compõem o serviço, com o intuito de reduzir atra-sos de execução. O desenvolvimento desta tese conduziu ao modelo proposto e aos resultados apresenta-dos e foi genuinamente suportado por levantamentos bibliográficos de trabalhos de in-vestigação e desenvolvimento, literaturas e preliminares matemáticos. O trabalho tem também como base uma lista de referências bibliográficas.

Neuromarketing e o consumidor virtual

As neurociências aliadas ao marketing, constituem um novo paradigma com grande potencial, no que diz respeito ao conhecimento profundo do consumidor e do seu comportamento de compra: o Neuromarketing. O Neuromarketing tem uma forte componente científica que estuda e define fisiologicamente os mecanismos subjacentes à cognição, com foco específico nas bases neurais dos processos mentais e suas manifestações comportamentais e uma componente económica e social em que os Marketeers se questionam acerca dos métodos tradicionais para conhecer profundamente o seu cliente e aplicar em toda a sua potencialidade o marketing one-to-one, criar relações de fidelidade e evitar a falta de diferenciação que ainda se verifica em algumas empresas. Na óptica do consumidor este tema é ainda desconhecido e podemos afirmar com alguma certeza que também será um pouco assustador pensar que seja possível conhecer tão bem o nosso cérebro e a nossa maneira de pensar enquanto consumidores, que nos consigam “manipular” no momento da decisão de compra. O presente estudo tem como finalidade perceber o que pensa o consumidor desta nova área, o que sente em relação aos métodos usados em Neuromarketing e se já têm alguma percepção de que diariamente já são confrontados com técnicas de Neuromarketing e ainda, o que pensam delas.

Distributed Linear Precoding and User Selection in Coordinated Multicell Systems

In this manuscript we tackle the problem of semidistributed user selection with distributed linear precoding for sum rate maximization in multiuser multicell systems. A set of adjacent base stations (BS) form a cluster in order to perform coordinated transmission to cell-edge users, and coordination is carried out through a central processing unit (CU). However, the message exchange between BSs and the CU is limited to scheduling control signaling and no user data or channel state information (CSI) exchange is allowed. In the considered multicell coordinated approach, each BS has its own set of cell-edge users and transmits only to one intended user while interference to non-intended users at other BSs is suppressed by signal steering (precoding). We use two distributed linear precoding schemes, Distributed Zero Forcing (DZF) and Distributed Virtual Signalto-Interference-plus-Noise Ratio (DVSINR). Considering multiple users per cell and the backhaul limitations, the BSs rely on local CSI to solve the user selection problem. First we investigate how the signal-to-noise-ratio (SNR) regime and the number of antennas at the BSs impact the effective channel gain (the magnitude of the channels after precoding) and its relationship with multiuser diversity. Considering that user selection must be based on the type of implemented precoding, we develop metrics of compatibility (estimations of the effective channel gains) that can be computed from local CSI at each BS and reported to the CU for scheduling decisions. Based on such metrics, we design user selection algorithms that can find a set of users that potentially maximizes the sum rate. Numerical results show the effectiveness of the proposed metrics and algorithms for different configurations of users and antennas at the base stations.

Integer/fractional decomposition of the impulse response of fractional linear systems

The decomposition of a fractional linear system is discussed in this paper. It is shown that it can be decomposed into an integer order part, corresponding to possible existing poles, and a fractional part. The first and second parts are responsible for the short and long memory behaviors of the system, respectively, known as characteristic of fractional systems.

Consciência cultural crítica numa comunidade virtual educativa de línguas

Tese de Doutoramento em Didática e Formação

New Concepts Towards the Synthesis of Digital Circuits Through Genetic Algorithms

This paper analyses the performance of a Genetic Algorithm using two new concepts, namely a static fitness function including a discontinuity measure and a fractional-order dynamic fitness function, for the synthesis of combinational logic circuits. In both cases, experiments reveal superior results in terms of speed and convergence to achieve a solution.

System Modeling and Control Through Fractional-Order Algorithms

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of thr throry of differential calculus but its inherent complexity postponed the applications of the associated concepts. In the last decade the progress in the areas of chaos and fractals revealed subtle relationships with the fractional calculus leading to an increasing interest in the development of the new paradigm. In the area of automaticcontrol preliminary work has already been carried out but the proposed algorithms are restricted to the frequency domain. The paper discusses the design of fractional-order discrete-time controllers. The algorithms studied adopt the time domein, which makes them suited for z-transform analusis and discrete-time implementation. The performance of discrete-time fractional-order controllers with linear and non-linear systems is also investigated.

Reconstrução de Superfícies usando um Scanner 3D de Luz Estruturada

Ao longo dos últimos anos, os scanners 3D têm tido uma utilização crescente nas mais variadas áreas. Desde a Medicina à Arqueologia, passando pelos vários tipos de indústria, ´e possível identificar aplicações destes sistemas. Essa crescente utilização deve-se, entre vários factores, ao aumento dos recursos computacionais, à simplicidade e `a diversidade das técnicas existentes, e `as vantagens dos scanners 3D comparativamente com outros sistemas. Estas vantagens são evidentes em áreas como a Medicina Forense, onde a fotografia, tradicionalmente utilizada para documentar objectos e provas, reduz a informação adquirida a duas dimensões. Apesar das vantagens associadas aos scanners 3D, um factor negativo é o preço elevado. No âmbito deste trabalho pretendeu-se desenvolver um scanner 3D de luz estruturada económico e eficaz, e um conjunto de algoritmos para o controlo do scanner, para a reconstrução de superfícies de estruturas analisadas, e para a validação dos resultados obtidos. O scanner 3D implementado ´e constituído por uma câmara e por um projector de vídeo ”off-the-shelf”, e por uma plataforma rotativa desenvolvida neste trabalho. A função da plataforma rotativa consiste em automatizar o scanner de modo a diminuir a interação dos utilizadores. Os algoritmos foram desenvolvidos recorrendo a pacotes de software open-source e a ferramentas gratuitas. O scanner 3D foi utilizado para adquirir informação 3D de um crânio, e o algoritmo para reconstrução de superfícies permitiu obter superfícies virtuais do crânio. Através do algoritmo de validação, as superfícies obtidas foram comparadas com uma superfície do mesmo crânio, obtida por tomografia computorizada (TC). O algoritmo de validação forneceu um mapa de distâncias entre regiões correspondentes nas duas superfícies, que permitiu quantificar a qualidade das superfícies obtidas. Com base no trabalho desenvolvido e nos resultados obtidos, é possível afirmar que foi criada uma base funcional para o varrimento de superfícies 3D de estruturas, apta para desenvolvimento futuro, mostrando que é possível obter alternativas aos métodos comerciais usando poucos recursos financeiros.

Coalition of distributed generation units to Virtual Power Players - a game theory approach

Smart Grids (SGs) have emerged as the new paradigm for power system operation and management, being designed to include large amounts of distributed energy resources. This new paradigm requires new Energy Resource Management (ERM) methodologies considering different operation strategies and the existence of new management players such as several types of aggregators. This paper proposes a methodology to facilitate the coalition between distributed generation units originating Virtual Power Players (VPP) considering a game theory approach. The proposed approach consists in the analysis of the classifications that were attributed by each VPP to the distributed generation units, as well as in the analysis of the previous established contracts by each player. The proposed classification model is based in fourteen parameters including technical, economical and behavioural ones. Depending of the VPP strategies, size and goals, each parameter has different importance. VPP can also manage other type of energy resources, like storage units, electric vehicles, demand response programs or even parts of the MV and LV distribution network. A case study with twelve VPPs with different characteristics and one hundred and fifty real distributed generation units is included in the paper.

Demand Response Programs Design and Use Considering Intensive Penetration of Distributed Generation

Further improvements in demand response programs implementation are needed in order to take full advantage of this resource, namely for the participation in energy and reserve market products, requiring adequate aggregation and remuneration of small size resources. The present paper focuses on SPIDER, a demand response simulation that has been improved in order to simulate demand response, including realistic power system simulation. For illustration of the simulator’s capabilities, the present paper is proposes a methodology focusing on the aggregation of consumers and generators, providing adequate tolls for the demand response program’s adoption by evolved players. The methodology proposed in the present paper focuses on a Virtual Power Player that manages and aggregates the available demand response and distributed generation resources in order to satisfy the required electrical energy demand and reserve. The aggregation of resources is addressed by the use of clustering algorithms, and operation costs for the VPP are minimized. The presented case study is based on a set of 32 consumers and 66 distributed generation units, running on 180 distinct operation scenarios.

mRPL: Boosting mobility in the Internet of Things

The 6loWPAN (the light version of IPv6) and RPL (routing protocol for low-power and lossy links) protocols have become de facto standards for the Internet of Things (IoT). In this paper, we show that the two native algorithms that handle changes in network topology – the Trickle and Neighbor Discovery algorithms – behave in a reactive fashion and thus are not prepared for the dynamics inherent to nodes mobility. Many emerging and upcoming IoT application scenarios are expected to impose real-time and reliable mobile data collection, which are not compatible with the long message latency, high packet loss and high overhead exhibited by the native RPL/6loWPAN protocols. To solve this problem, we integrate a proactive hand-off mechanism (dubbed smart-HOP) within RPL, which is very simple, effective and backward compatible with the standard protocol. We show that this add-on halves the packet loss and reduces the hand-off delay dramatically to one tenth of a second, upon nodes’ mobility, with a sub-percent overhead. The smart-HOP algorithm has been implemented and integrated in the Contiki 6LoWPAN/RPL stack (source-code available on-line mrpl: smart-hop within rpl, 2014) and validated through extensive simulation and experimentation.

Competitive paths for methanol decomposition on ruthenium: a DFT study

Methanol decomposition is one of the key reactions in direct methanol fuel cell (DMFC) state-of-the-art technology, research, and development. However, its mechanism still presents many uncertainties, which, if answered, would permit us to refine the manufacture of DMFCs. The mechanism of methanol decomposition on ruthenium surfaces was investigated using density functional theory and a periodic supercell approach. The possible pathways, involving either initial C−H, C−O or O−H scission, were defined from experimental evidence regarding the methanol decomposition on ruthenium and other metallic surfaces. The study yielded the O−H scission pathway as having both the most favorable energetics and kinetics. The computational data, which present a remarkable closeness with the experimental results, also indicate methanol adsorption, the starting point in all possible pathways, to be of weak nature, implying a considerable rate of methanol desorption from the ruthenium, compromising the reaction.

Testing Nelder-Mead Based Repulsion Algorithms for Multiple Roots of Nonlinear Systems via a Two-Level Factorial Design of Experiments

This paper addresses the challenging task of computing multiple roots of a system of nonlinear equations. A repulsion algorithm that invokes the Nelder-Mead (N-M) local search method and uses a penalty-type merit function based on the error function, known as 'erf', is presented. In the N-M algorithm context, different strategies are proposed to enhance the quality of the solutions and improve the overall efficiency. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm.