Control and Dynamics of Fractional Order Systems

Fractional Calculus (FC) goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades due to the progress in the area of nonlinear dynamics. This article discusses several applications of fractional calculus in science and engineering, namely: the control of heat systems, the tuning of PID controllers based on fractional calculus concepts and the dynamics in hexapod locomotion.

On the Sensor Classification Scheme of Robotic Manipulators

This paper analyzes the signals captured during impacts and vibrations of a mechanical manipulator. The Fourier Transform of eighteen different signals are calculated and approximated by trendlines based on a power law formula. A sensor classification scheme based on the frequency spectrum behavior is presented.

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.

Groundtruth system for underwater benchmarking

Oceans - San Diego, 2013

Thermographic and visible spectrum camera calibration for marine robotic target detection

Oceans - San Diego, 2013

Combining sparse and dense methods in 6D Visual Odometry

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

Multi-robot cooperative stereo for outdoor scenarios

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

Real-Time Visual Ground-Truth System for Indoor Robotic Applications

The robotics community is concerned with the ability to infer and compare the results from researchers in areas such as vision perception and multi-robot cooperative behavior. To accomplish that task, this paper proposes a real-time indoor visual ground truth system capable of providing accuracy with at least more magnitude than the precision of the algorithm to be evaluated. A multi-camera architecture is proposed under the ROS (Robot Operating System) framework to estimate the 3D position of objects and the implementation and results were contextualized to the Robocup Middle Size League scenario.

High-Accuracy Low-Cost RTK-GPS for an Unmanned Surface Vehicle

This work presents a low cost RTK-GPS system for localization of unmanned surface vehicles. The system is based on the use of standard low cost L1 band receivers and in the RTKlib open source software library. Mission scenarios with multiple robotic vehicles are addressed as the ones envisioned in the ICARUS search and rescue case where the possibility of having a moving RTK base on a large USV and multiple smaller vehicles acting as rovers in a local communication network allows for local relative localization with high quality. The approach is validated in operational conditions with results presented for moving base scenario. The system was implemented in the SWIFT USV with the ROAZ autonomous surface vehicle acting as a moving base. This setup allows for the performing of a missions in a wider range of environments and applications such as precise 3D environment modeling in contained areas and multiple robot operations.

Uncertainty based Multi-Robot Cooperative Triangulation

The paper presents a multi-robot cooperative framework to estimate the 3D position of dynamic targets, based on bearing-only vision measurements. The uncertainty of the observation provided by each robot equipped with a bearing-only vision system is effectively addressed for cooperative triangulation purposes by weighing the contribution of each monocular bearing ray in a probabilistic manner. The envisioned framework is evaluated in an outdoor scenario with a team of heterogeneous robots composed of an Unmanned Ground and Aerial Vehicle.

Relatório de Estágio: Análise da eficiência do Sistema de controlo de tráfego da cidade do Porto

No âmbito da unidade curricular Dissertação/Estágio/Projeto, foi desenvolvido, durante um estágio na Câmara Municipal do Porto, o estudo da eficiência do sistema inteligente de controlo de tráfego implementado na cidade. Este sistema é designado como Sistema Inteligente de Gestão Autónoma - SIGA e tem como base de funcionamento o software de gestão de tráfego GERTRUDE da empresa GERTRUDE SAEM. O sistema de controlo de tráfego encontra-se repartido em 10 zonas interligadas, focadas essencialmente no centro da cidade do Porto. O estudo foi aplicado apenas a uma parte da zona da Constituição, nomeadamente a rua da Constituição, desde a Praça Marquês até à rua Antero de Quental. A eficiência mediu-se pela comparação de duas situações, a circulação e comportamento das correntes de tráfego com o sistema em funcionamento normal e com o sistema desativado. Por sua vez, o indicador utilizado que permitiu avaliar o sistema, foi o nível de serviço obtido pelo atraso médio por veículo em cada ramo de cada interseção. Para determinação do atraso, foram testados diferentes métodos, para se tentar perceber qual aquele que melhor se adequava à situação e que exigia menor número de recursos humanos. À frente serão exaradas algumas conclusões acerca da metodologia de cada um deles e condicionantes que levaram à não utilização de todos os métodos. Depois de aplicadas as metodologias que permitiram determinar o nível de serviço em cada grupo semafórico das diferentes interseções, percebeu-se que existe uma grande diferença na circulação entre as duas situações, sendo que a mais-valia que este sistema apresenta é a coordenação das diferentes interseções que se encontram abrangidas pelas 10 zonas pertencentes ao SIGA.

Estado da Arte da Computação Evolutiva Aplicada à Eletrónica

A Computação Evolutiva enquadra-se na área da Inteligência Artificial e é um ramo das ciências da computação que tem vindo a ser aplicado na resolução de problemas em diversas áreas da Engenharia. Este trabalho apresenta o estado da arte da Computação Evolutiva, assim como algumas das suas aplicações no ramo da eletrónica, denominada Eletrónica Evolutiva (ou Hardware Evolutivo), enfatizando a síntese de circuitos digitais combinatórios. Em primeiro lugar apresenta-se a Inteligência Artificial, passando à Computação Evolutiva, nas suas principais vertentes: os Algoritmos Evolutivos baseados no processo da evolução das espécies de Charles Darwin e a Inteligência dos Enxames baseada no comportamento coletivo de alguns animais. No que diz respeito aos Algoritmos Evolutivos, descrevem-se as estratégias evolutivas, a programação genética, a programação evolutiva e com maior ênfase, os Algoritmos Genéticos. Em relação à Inteligência dos Enxames, descreve-se a otimização por colônia de formigas e a otimização por enxame de partículas. Em simultâneo realizou-se também um estudo da Eletrónica Evolutiva, explicando sucintamente algumas das áreas de aplicação, entre elas: a robótica, as FPGA, o roteamento de placas de circuito impresso, a síntese de circuitos digitais e analógicos, as telecomunicações e os controladores. A título de concretizar o estudo efetuado, apresenta-se um caso de estudo da aplicação dos algoritmos genéticos na síntese de circuitos digitais combinatórios, com base na análise e comparação de três referências de autores distintos. Com este estudo foi possível comparar, não só os resultados obtidos por cada um dos autores, mas também a forma como os algoritmos genéticos foram implementados, nomeadamente no que diz respeito aos parâmetros, operadores genéticos utilizados, função de avaliação, implementação em hardware e tipo de codificação do circuito.

Simulação de Robôs Quadrúpedes Utilizando o SimMechanics

Desde sempre o Homem procurou automatizar tarefas repetitivas. Tanto na indústria como no sector doméstico ou de comércio estão constantemente a surgir novos equipamentos procurando aumentar o nível de automação de diversas tarefas. A necessidade de empresas criadoras de produtos inovadores se manterem concorrenciais obrigou à adopção de métodos de projecto e planeamento mais estruturados e eficientes que eliminem os desperdícios tanto de material como de tempo. Diversas construções em termos orçamentais e o aumento da procura de produtos de alta qualidade a baixo custo deu origem a um novo tipo de programas, os programas de simulação virtual. Tal como na indústria, também na investigação nas Instituições de Ensino Superior se procuram adoptar os métodos de trabalho mais eficientes possíveis. Uma parte dos programas de simulação robótica utilizados hoje em dia na investigação no Instituto Superior de Engenharia do Porto estão concebidos em linguagem C. Embora esta linguagem seja extremamente capaz, existem métodos mais adequados de simulação que aceleram o processo de modelação permitindo a visualização do movimento e simulação de diversas situações potencialmente criticas sem existir a necessidade de construção de um protótipo funcional do robô. Durante o último ano, este projecto permitiu construir um modelo de um robô quadrúpede num programa de simulação virtual chamado Simmechanics™. Embora haja já algum trabalho desenvolvido nesta área, constatou-se que a informação existente possuía algumas lacunas. Com o trabalho desenvolvido preparou-se esta dissertação que pretende clarificar algumas questões que surgem na modelação de um robô. Neste documento explica-se como modelar um robô de corpo flexível, modelar as pernas e as respectivas juntas da anca e do joelho assim como também se apresenta a modelação de um contacto com o solo recorrendo a um modelo descrito na literatura. Este documento foi escrito a pensar no leitor, procurando-se explicar de forma simples mas concisa os diversos passos necessários para construir um modelo virtual de um robô. O autor espera, desta forma, ajudar futuros colegas que pretendam trabalhar com o Simmechanics™ a mais facilmente se integrarem com o programa aumentando desta forma o declive da curva de aprendizagem e permitindo um maior aproveitamento desta ferramenta.

Myoelectric Signal Monitoring System

The Electromyography (EMG) is an important tool for gait analyzes and disorders diagnoses. Traditional methods involve equipment that can disturb the analyses, being gradually substituted by different approaches, like wearable and wireless systems. The cable replacement for autonomous systems demands for technologies capable of meeting the power constraints. This work presents the development of an EMG and kinematic data capture wireless module, designed taking into account power consumption issues. This module captures and converts the analog myoeletric signal to digital, synchronously with the capture of kinetic information. Both data are time multiplexed and sent to a PC via Bluetooth link. The work carried out comprised the development of the hardware, the firmware and a graphical interface running in an external PC. The hardware was developed using the PIC18F14K22, a low power family of microcontrollers. The link was established via Bluetooth, a protocol designed for low power communication. An application was also developed to recover and trace the signal to a Graphic User Interface (GUI), coordinating the message exchange with the firmware. Results were obtained which allowed validating the conceived system in static and with the subject performing short movements. Although it was not possible to perform the tests within more dynamic movements, it is shown that it is possible to capture, transmit and display the captured data as expected. Some suggestions to improve the system performance also were made.

SHõWA: A Self-healing Framework for Web-based Applications

The complexity of systems is considered an obstacle to the progress of the IT industry. Autonomic computing is presented as the alternative to cope with the growing complexity. It is a holistic approach, in which the systems are able to configure, heal, optimize, and protect by themselves. Web-based applications are an example of systems where the complexity is high. The number of components, their interoperability, and workload variations are factors that may lead to performance failures or unavailability scenarios. The occurrence of these scenarios affects the revenue and reputation of businesses that rely on these types of applications. In this article, we present a self-healing framework for Web-based applications (SHõWA). SHõWA is composed by several modules, which monitor the application, analyze the data to detect and pinpoint anomalies, and execute recovery actions autonomously. The monitoring is done by a small aspect-oriented programming agent. This agent does not require changes to the application source code and includes adaptive and selective algorithms to regulate the level of monitoring. The anomalies are detected and pinpointed by means of statistical correlation. The data analysis detects changes in the server response time and analyzes if those changes are correlated with the workload or are due to a performance anomaly. In the presence of per- formance anomalies, the data analysis pinpoints the anomaly. Upon the pinpointing of anomalies, SHõWA executes a recovery procedure. We also present a study about the detection and localization of anomalies, the accuracy of the data analysis, and the performance impact induced by SHõWA. Two benchmarking applications, exercised through dynamic workloads, and different types of anomaly were considered in the study. The results reveal that (1) the capacity of SHõWA to detect and pinpoint anomalies while the number of end users affected is low; (2) SHõWA was able to detect anomalies without raising any false alarm; and (3) SHõWA does not induce a significant performance overhead (throughput was affected in less than 1%, and the response time delay was no more than 2 milliseconds).