Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomos

A navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).

Estrutura a partir do Movimento em Sistemas Autónomos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Ramo de Sistemas Autónomos

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.

Integração e contextualização de modelos 3D no ensino da área da saúde

Mestrado em Engenharia Informática. Sistemas Gráficos e Multimédia.

Sistema de modelização tridimensional para ambientes não estruturados

A navegação de veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um problema em aberto. A complexidade do mundo real ainda é um desafio. A difícil caracterização do relevo irregular, dos objectos dinâmicos e pouco distintos(e a inexistência de referências de localização) tem sido alvo de estudo e do desenvolvimento de vários métodos que permitam de uma forma eficiente, e em tempo real, modelizar o espaço tridimensional. O trabalho realizado ao longo desta dissertação insere-se na estratégia do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) na pesquisa e desenvolvimento de sistemas sensoriais que possibilitem o aumento da capacidade de percepção das plataformas robóticas. O desenvolvimento de um sistema de modelização tridimensional visa acrescentar aos projectos LINCE (Land INtelligent Cooperative Explorer) e TIGRE (Terrestrial Intelligent General proposed Robot Explorer) maior autonomia e capacidade de exploração e mapeamento. Apresentamos alguns sensores utilizados para a aquisição de modelos tridimensionais, bem como alguns dos métodos mais utilizados para o processo de mapeamento, e a sua aplicação em plataformas robóticas. Ao longo desta dissertação são apresentadas e validadas técnicas que permitem a obtenção de modelos tridimensionais. É abordado o problema de analisar a cor e geometria dos objectos, e da criação de modelos realistas que os representam. Desenvolvemos um sistema que nos permite a obtenção de dados volumétricos tridimensionais, a partir de múltiplas leituras de um Laser Range Finder bidimensional de médio alcance. Aos conjuntos de dados resultantes associamos numa nuvem de pontos coerente e referenciada. Foram desenvolvidas e implementadas técnicas de segmentação que permitem inspeccionar uma nuvem de pontos e classifica-la quanto às suas características geométricas, bem como ao tipo de estruturas que representem. São apresentadas algumas técnicas para a criação de Mapas de Elevação Digital, tendo sido desenvolvida um novo método que tira partido da segmentação efectuada

Modelo generalista de páginas Web para motores de pesquisa com interface 3D

Web tornou-se uma ferramenta indispensável para a sociedade moderna. A capacidade de aceder a enormes quantidades de informação, disponível em praticamente todo o mundo, é uma grande vantagem para as nossas vidas. No entanto, a quantidade avassaladora de informação disponível torna-se um problema, que é o de encontrar a informação que precisamos no meio de muita informação irrelevante. Para nos ajudar nesta tarefa, foram criados poderosos motores de pesquisa online, que esquadrinham a Web à procura dos melhores resultados, segundo os seus critérios, para os dados que precisamos. Actualmente, os motores de pesquisa em voga, usam um formato de apresentação de resultados simples, que consiste apenas numa caixa de texto para o utilizador inserir as palavras-chave sobre o tema que quer pesquisar e os resultados são dispostos sobre uma lista de hiperligações ordenada pela relevância que o motor atribui a cada resultado. Porém, existem outras formas de apresentar resultados. Uma das alternativas é apresentar os resultados sobre interfaces em 3 dimensões. É nestes tipos de sistemas que este trabalho vai incidir, os motores de pesquisa com interfaces em 3 dimensões. O problema é que as páginas Web não estão preparadas para serem consumidas por este tipo de motores de pesquisa. Para resolver este problema foi construído um modelo generalista para páginas Web, que consegue alimentar os requisitos das diversas variantes destes motores de pesquisa. Foi também desenvolvido um protótipo de instanciação automático, que recolhe as informações necessárias das páginas Web e preenche o modelo.

Visualização e manipulação de informação em ambientes 3D imersivos

Ainda antes da invenção da escrita, o desenho foi utilizado para descrever a realidade, tendo evoluído ao longo dos tempos, ganhando mais qualidade e pormenor e recorrendo a suportes cada vez mais evoluídos que permitissem a perpetuação dessa imagem: dessa informação. Desde as pinturas rupestres, nas paredes de grutas paleolíticas, passando pelos hieróglifos, nos templos egípcios, nas gravuras das escrituras antigas e nos quadros sobre tela, a intenção sempre foi a de transmitir a informação da forma mais directa e perceptível por qualquer indivíduo. Nos dias de hoje as novas tecnologias permitem aceder à informação com uma facilidade nunca antes vista ou imaginada, estando certamente ainda por descobrir outras formas de registar e perpetuar a informação para as gerações vindouras. A fotografia está na origem das grandes evoluções da imagem, permitindo capturar o momento, tornando-o “eterno”. Hoje em dia, na era da imagem digital, além de se mostrar a realidade, é possível incorporar na imagem informação adicional, de modo a enriquecer a experiência de visualização e a maximizar a aquisição do conhecimento. As possibilidades da visualização em três dimensões (3D) vieram dar o realismo que faltava ao formato de fotografia original. O 3D permite a imersão do espectador no ambiente que, a própria imagem retrata, à qual se pode ainda adicionar informação escrita ou até sensorial como, por exemplo, o som. Esta imersão num ambiente tridimensional permite ao utilizador interagir com a própria imagem através da navegação e exploração de detalhes, usando ferramentas como o zoom ou ligações incorporados na imagem. A internet é o local onde, hoje em dia, já se disponibilizam estes ambientes imersivos, tornando esta experiência muita mais acessível a qualquer pessoa. Há poucos anos ainda, esta prática só era possível mediante o recurso a dispositivos especificamente construídos para o efeito e que, por isso, apenas estavam disponíveis a grupos restritos de utilizadores. Esta dissertação visa identificar as características de um ambiente 3D imersivo e as técnicas existentes e possíveis de serem usadas para maximizar a experiência de visualização. Apresentar-se-ão algumas aplicações destes ambientes e sua utilidade no nosso dia-a-dia, antevendo as tendências futuras de evolução nesta área. Serão apresentados exemplos de ferramentas para a composição e produção destes ambientes e serão construídos alguns modelos ilustrativos destas técnicas, como forma de avaliar o esforço de desenvolvimento e o resultado obtido, comparativamente com formas mais convencionais de transmitir e armazenar a informação. Para uma avaliação mais objectiva, submeteram-se os modelos produzidos à apreciação de diversos utilizadores, a partir da qual foram elaboradas as conclusões finais deste trabalho relativamente às potencialidades de utilização de ambientes 3D imersivos e suas mais diversas aplicações.

Fixed point transformations in the adaptive control of fractional-order MIMO systems

Though the formal mathematical idea of introducing noninteger order derivatives can be traced from the 17th century in a letter by L’Hospital in which he asked Leibniz what the meaning of D n y if n = 1/2 would be in 1695 [1], it was better outlined only in the 19th century [2, 3, 4]. Due to the lack of clear physical interpretation their first applications in physics appeared only later, in the 20th century, in connection with visco-elastic phenomena [5, 6]. The topic later obtained quite general attention [7, 8, 9], and also found new applications in material science [10], analysis of earth-quake signals [11], control of robots [12], and in the description of diffusion [13], etc.

Application of robust fixed point transformations for technological operation of robots

A robot’s drive has to exert appropriate driving forces that can keep its arm and end effector at the proper position, velocity and acceleration, and simultaneously has to compensate for the effects of the contact forces arising between the tool and the workpiece depending on the needs of the actual technological operation. Balancing the effects of a priori unknown external disturbance forces and the inaccuracies of the available dynamic model of the robot is also important. Technological tasks requiring well prescribed end effector trajectories and contact forces simultaneously are challenging control problems that can be tackled in various manners.

Smart object for 3D interaction

This paper reports on the creation of an interface for 3D virtual environments, computer-aided design applications or computer games. Standard computer interfaces are bound to 2D surfaces, e.g., computer mouses, keyboards, touch pads or touch screens. The Smart Object is intended to provide the user with a 3D interface by using sensors that register movement (inertial measurement unit), touch (touch screen) and voice (microphone). The design and development process as well as the tests and results are presented in this paper. The Smart Object was developed by a team of four third-year engineering students from diverse scientific backgrounds and nationalities during one semester.

Which differintegration?

Despite the great advances in the theory and applications of fractional calculus, some topics remain unclear, making a systematic use difficult. In this paper, the fractional differintegration definition problem is studied from a systems point of view. Both local (Grunwald-Letnikov) and global (convolutional) definitions are considered. It is shown that the Cauchy formulation should be adopted since it is coherent with usual practice in signal processing and control applications.

Estimating Effective Slowdown of Tasks in Energy-Aware Clouds

Consolidation consists in scheduling multiple virtual machines onto fewer servers in order to improve resource utilization and to reduce operational costs due to power consumption. However, virtualization technologies do not offer performance isolation, causing applications’ slowdown. In this work, we propose a performance enforcing mechanism, composed of a slowdown estimator, and a interference- and power-aware scheduling algorithm. The slowdown estimator determines, based on noisy slowdown data samples obtained from state-of-the-art slowdown meters, if tasks will complete within their deadlines, invoking the scheduling algorithm if needed. When invoked, the scheduling algorithm builds performance and power aware virtual clusters to successfully execute the tasks. We conduct simulations injecting synthetic jobs which characteristics follow the last version of the Google Cloud tracelogs. The results indicate that our strategy can be efficiently integrated with state-of-the-art slowdown meters to fulfil contracted SLAs in real-world environments, while reducing operational costs in about 12%.

Amygdala activation in response to 2D and 3D emotion-inducing stimuli

Studying changes in brain activation according to the valence of emotion-inducing stimuli is essential in the research on emotions. Due to the ecological potential of virtual reality, it is also important to examine whether brain activation in response to emotional stimuli can be modulated by the three-dimensional (3D) properties of the images. This study uses functional Magnetic Resonance Imaging to compare differences between 3D and standard (2D) visual stimuli in the activation of emotion-related brain areas. The stimuli were organized in three virtual-reality scenarios, each with a different emotional valence (pleasant, unpleasant and neutral). The scenarios were presented in a pseudo-randomized order in the two visualization modes to twelve healthy males. Data were analyzed through a GLM-based fixed effects procedure. Unpleasant and neutral stimuli activated the right amygdala more strongly when presented in 3D than in 2D. These results suggest that 3D stimuli, when used as “building blocks” for virtual environments, can induce increased emotional loading, as shown here through neuroimaging.

Osteoporotic hip fractures: Bisphosphonates sales and observed turning point in trend. A population-based retrospective study

The aim is to examine the temporal trends of hip fracture incidence in Portugal by sex and age groups, and explore the relation with anti-osteoporotic medication. From the National Hospital Discharge Database, we selected from 1st January 2000 to 31st December 2008, 77,083 hospital admissions (77.4% women) caused by osteoporotic hip fractures (low energy, patients over 49 years-age), with diagnosis codes 820.x of ICD 9-CM. The 2001 Portuguese population was used as standard to calculate direct age-standardized incidence rates (ASIR) (100,000 inhabitants). Generalized additive and linear models were used to evaluate and quantify temporal trends of age specific rates (AR), by sex. We identified 2003 as a turning point in the trend of ASIR of hip fractures in women. After 2003, the ASIR in women decreased on average by 10.3 cases/100,000 inhabitants, 95% CI (− 15.7 to − 4.8), per 100,000 anti-osteoporotic medication packages sold. For women aged 65–69 and 75–79 we identified the same turning point. However, for women aged over 80, the year 2004 marked a change in the trend, from an increase to a decrease. Among the population aged 70–74 a linear decrease of incidence rate (95% CI) was observed in both sexes, higher for women: − 28.0% (− 36.2 to − 19.5) change vs − 18.8%, (− 32.6 to − 2.3). The abrupt turning point in the trend of ASIR of hip fractures in women is compatible with an intervention, such as a medication. The trends were different according to gender and age group, but compatible with the pattern of bisphosphonates sales.